/
Text
'. .
,.
ФОТО
ЛЮМИНЕСЦЕНЦИЯ
. РАСТВОРОВ
. .. .......
"""'---. .......
..... --....
....... ....... .....ь.
......V
. ......
---................
........
---- ------+
...... ......
...--
--- ---
. .".......
I
f
,
}
I
PHOTOLUMINESCENCE OF SOLUTIONS
С. ПАРКЕР
With Applications to Photochemistry
and Analytical Chemistry
ФОТОЛЮМИНЕСЦЕНЦИЯ
РАСТВОРОВ
С. А. PARI<ER, Ph. D., D. sc., F.R.M.S., F.R.I.c.
Royal Naval Scientific Service
Adтiralty Materials Laboratory,
ноиоn Heath, Poole, Dorset, England
ELSEVIER PUBLISНING COMPANY
AMSTERDAM
LONDON
NEW YOR
1968
JlepeBoa с анслийскосо
канд. хим. наук Н. Л. КОМИССАРОВОй и
канд. хим. наук Б. М. УЖИНОВА
П од редакцией
доктора физ.
мат. наук Р. Ф. ВАСИЛЬЕВА
ИЗДАТЕЛЬСТВО «МИР»
Москва 1972
УДк. 541.14
ПРЕДИСЛОВИЕ
Редакция литературы по химии
Автор настоящей книrи
активна и плодотворно работаю
щий исследователь, тонкий экспериментатор, с именем KOToporo
ассоциируется ряд крупных достижений в области молекулярной
люминесценции: обнаружение триплет
триплетной анниrиляции,
создание остроумной схемы спектрофосфориметра, исследова
ния и применения замедленной флуоресценции.
Книrу можно рассматривать как введение в люминесцентную
спектроскопию и люминесцентный анализ растворов; написана
она с позиций прежде Bcero фотохимика и химика
аналитика и
адресована широкому Kpyry исследователей
химикам, физи
кам, биолоrам.
В rл. 1 кратко рассмотрены общие вопросы: разновидности
люминесценции, ее связь с фотохимией, поляризация люминес
ценции. Уделено внимание и рассеянию света (релеевскому и
комбинационному), поскольку оно может служить помехой при
измерениях люминесценции.
В rл. 11 охарактеризована кинетика люминесценции разных
видов. Автор рассматривает кинетические схемы, учитывающие
внутримолекулярные и меж молекулярные процессы, и выводит
уравнения, которые используются для обработки результатов
эксперимента и получения на их основе кинетических характери
стик этих процессав.
MHoro внимания уделено методическим I30просаl\l (rл. III):
обсуждаются конструкции монохроматоров, типы источников
света, светофильтры, физические и химические методы измере
ния интенсивностей и доз, конструкции кювет, методы измере-
ния поляризации люминесценции. Здесь же подробно рассмо-
трена переработка первичной информации во вторичную, полу
чеНYlе которой и ЯI3ляется целью эксперимента. Описаны способы
автоматическоrо учета спектральной неоднородности ИСТОчников
И детекторов при записи спектров люминесценции, возбуждения
и поляризации.
В rл. IV обсуждаются разнообразные применения люминес
ценции, такие, кзк определение параметров возбужденных со-
стояниЙ, изучение химическоrо равновесия в возбужденном co
стоянии, роль эксимеров и эксиплексов, влияние растворителя
на люминесценцию, применение люминесцентных измерений в
фотохимических исследованиях, применение поляризационных
измеrений. В специальном разделе рассказано об ИСПОЛЬЗО13ащ1И
квазилинейчатых спектров (эффект Шпольскоrо).
в К!II!rе расоIOТрСНЫ основные понятия, закономерности и
методы исследоваI!I!Я фотолюминесценции растворов, а также ее
применения в аналитичсской химии (качественный и количествен
ныЙ анализ орrаI!ических и неорrанических веществ, а такжс ИХ
смесеЙ) и ДЛЯ определения параметров возбужденных электрон-
НЫХ состояниЙ орrаничеСК!IХ молекул. Автор ее
активно и пло-
дотворно работающиЙ ученый, с именем KOToporo ассоциируется
ряд крупных достижениЙ в области молекулярноЙ люминесцен-
ции. Моноrрафия адресована как начинающим исследователям,
Д.1Я которых она может с.1УЖИТЬ учебником, так и опытным pa
ботникам, которым полезны мноrочисленные примеры и ссылки
на литературу.
и ИД. 2
5
4
74-71
6
ПРЕДИСЛОВИЕ
rл. V посвящена аналитическим применениям люминесцен-
ции
определению строения и количественному анализу opra
нических и неорrанических веществ, а также их смесей.
Разнообразие интересов автора позволило ему охватить из
бранную им отнюдь не узкую область, основываясь rлавным об
разом на собственных работах; так, подавляющая часть рисун
ков, примеров, таблиц взята из работ автора и ero сотрудников.
Это обстоятельство придает книrе особый колорит
читатель
получает информацию «из первых рук». Особенно это чув-
ствуется в rл. III, [де суммирован мноrолетний опыт автора в
разработке и использовании методики, высокая чувствительность
которой делает особенно опасным пренебрежение влиянием MHO
rих мешающих факторов, которые MorYT проявиться самым He
ожиданным образом.
Вероятно, вкус автора сказался в том, что в книrе лишь COB
сем кратко рассматриваются теоретические вопросы, например
связь строения с люминесцентными свойствами соединений.
В книrе сравнительно мало места уделено люминесцентному aHa
лизу неорrанических соединений. Читатель может восполнить
эти пробелы, воспользовавшись недавно вЫШедшими книrами
[1,2], а также литературой, указанной в библиоrрафии к ним.
За время после выхода в свет книrи Паркера на анrлийском
языке появился ряд моноrрафий и обзоров (ссылки на них даны
в библиоrрафии, см. стр. 496) и начали издаваться два новых
международных журнала [3]. Были получены новые результаты
(в частности, в области люминесценции биолоrически важных
соединений [4]), предложены новые методы исследования. Oco
бенно надо отметить революционизирующее влияние применения
лазеров. Исключительно малая продолжительность импульса,
сравнимая с временами внутримолекулярноrо перераспределе
ния электронной энерrии, а также высокие мощности излучения
сделали возможным прямое измерение скоростей внутренней
и интеркомбинационной конверсии [5], исследование синrлет
синrлетной и триплет
синrлетной анниrиляции [6] и синrлет-син
rлетноrо (5 п +---51, п> 1) поrлощения [7,8]. Наконец было об
наружено испускание из caMoro нижнеrо синrлет
возбужденноru
состояния азулена [9].
Нет сомнения, что в ближайшие [оды значение и примене
ние фотолюминесценции растворов будет возрастать, появятся
новые методики, возникнут новые задачи. Некоторые проrнозы
Относительно будущеrо фотолюминесценции растворов даны в
очень интересном заключительном разделе книrи.
rл. 1, II, IV и V переведены канд. хим. наук Н. Л. Комиссаро
вой, rл. III
канд. хим. наук Б. М. Ужиновым.
ПРЕДИСЛОВИЕ
7
1. Нурмухаметов Р. Н., Поrлощение и люминесценция орrанических соедине
ний, изд-во «Химия», М., 1971.
2. Божеволыюв Е. А., Люминесцентный анализ неорrанических веществ, изд-во
«Химия», М., 1966; Столяров К. П., rpU<!opbeB Н. Н., Введение в люминес
центный анализ нес>рrанических веществ, ИЗkВО «Химия», М., 1967.
3. Journa1 of Luminescence, North Hol1and, Amsterdam; Molecular Photoche,
mistl'y, Marcel Dekker, New York.
4. Eisinger J. et аl., Nature, 226, 113 (1970).
5. Rentzepis Р. М., Chem Phys. Letters, 2,117 (1968).
6. Babeпko S. D. et al., Chem. Phys. Letters, 8, 598 (1971).
7. Porter О., Topps М. R., Nature, 220, 1228 (1968); Proc. Roy. Soc.! А315, 163
(1970) .
8. Goldschтidt С., Isr. J. Chem., 8, 29 (1970).
9. Rentzepis Р. М. et al., Chem. Phys. Letters, 4, 599 (1970).
Р. Васильев
из ПРЕДИСЛОВИЯ АВТОРА
НеобычныЙ рост ЧI!сла публикаций, посвященных испуска
нию света молекулами в растворах, в значительноЙ степени об-
условлен появлением высокочувствительных и эффективных
спектрофотометров, которые используются химиками и физи-
ками для исследования механизмов фотолюминесценции и для
создания новых методов химическоrо анализа. Мноrие важные
достижения в теории и практике фотолюминесценции достаточно
подробно обсуждаются лишь в ориrинальных статьях и обзорах,
рассеянных по мноrочисленным журналам. По этой причине уже
давно существует потребность в книrе, в которой начинающий
исследователь Mor бы найти систематическое изложение OCHOB
ных принципов, а опытный специалист
источник ссылок на
ориrинальные работы. Именно такая двойная цель и преследо
валась при подrотовке настоящей книrи. Поэтому она написана
в первую очередь для фотохимика и химика
аналитика, но будет
полезна и всем тем, кто занимается измерением фотолюминес
ценции.
В книrе рассматриваются rлавным образом жидкие pac
творы, как текучие, так и стеклообразные, но некоторое внима
ние уделено и твердым растворам и адсорбатам. Люминесцен-
ция rазов и кристаллов не обсуждаеtся вовсе, однако большая
часть сведений, включенных в r лаву о методике эксперимента,
может быть использована и при исследовании этих видов лю
минесценции. В некоторых частях книrи довольно MHoro мате-
матических р-а.счетов, но это несложные алrебраические выклад-
ки, относящиеся к кинетике фотохимических реакций или к
работе оптических приборов. Изложение мноrих вопросов начи-
нается с формулирования основных принципов, поэтому мате-
риал должен леrко усваиваться читателями, впервые знакомя-
щимися с этими вопросами. В книrе нет квантовомеханических
расчетов, и понятия молекулярных орбиталей, уровней энерrии,
электронных переходов и т. п. рассматриваются качественно,
хотя при желании читатель может воспользоваться ссылками
на работы, в которых тот или иной вопрос изучен более по
дробно и cTporo.
Значительное место отведено изложению принципов, лежа-
щих в оСнове работы различных узлов спектрофлуориметров и
спектрофосфориметров, а также тому, как объединить эти узлы
ПРЕДИСЛОВИЕ АВТОРА
9
в приборы BblcoKoro качества. Это было сделано с целью снаб
дить читателя достаточными знаниями для Toro, чтобы он cMor
собрать свою собственную установку или же судить об ОТIIОСИ
тельНЫХ достоинствах тех или инЫХ продажных люминесцентных
спектрометров и их приrодности для решения определенной за
дачи. В книrу намеренно не включены характеристики KOHKpeT
ных продажных приборов, поскольку они MorYT скоро оказаться
устаревшими, а сведения о новых приборах можно получить не-
посредственно от фирм-изrотовителей. Подавляющая часть rла-
вы о методике эксперимента суммирует собственный опыт aB
тора; определенное влияние на построение этой rлавы оказали
мноrочисленные консультации по вопросам методики, которые
автору приходилось давать в течение последних десяти лет.
Для фотохимиков и физиков будет особенно интересна
rл. IV, в то время как rл. V адресована в первую очередь хими
кам
аналитикам. Можно надеяться, однако, что и те, и друrие
найдут интересный материал в обеих rлавах. С одной стороны,
мноrие аналитические методики появились в результате чисто
теоретических исследований процессов фотолюминесценции, а с
друrой
приrотовление и анализ, чистых веществ иrраlOТ чрез-
вычайно важную роль во мноrих исследованиях по фотолюми
несценции. Книrа не является руководством по фотолlOМИ
несцентным методам анализа, но rл. V и соответствующие раз
делы друr'их rлав дают четкое представление о тех типах анали
:rических проблем, которые можно решить при помощи измере
ний фотолюминесценции, и о том, как практически приступить
к решению этих проблем.
При меры, иллюстрирующие тот или иной аспект предмета
моноrрафии, во мноrих случаях заимствованы из собственных
работ автора. Не менее удачные при меры можно леrко найти
И в друrих работах, однако число при водимых примеров было
оrраничено объемом книrи.
С. А. Паркер
Пул, Дорсет
Апрель 1968 z.
rлава 1
ОСНОВНЫЕ ПРИНЦИПЫ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ
А. ЛЮМИНЕСЦЕНЦИЯ И ФОТОХИМИЯ
1. Люминесценция
Свечение HarpeTblx тел, обусловленное только наrреванием
до высокой температуры, называется испусканием накаленных
тел. Все друrие типы испускания света называются люминес
ценцией. При люминесценции система теряет энерrию и для ком-
пенсации этих потерь нужно подводить энерrию извне. Как пра
вило, разновидности люминесценции классифицируются именно
по типу этоrо внешнеrо источника энерrии. Так, свет rазоразряд
ной лампы или лазера на основе арсенида rаллия представляет
собой электролюминесценцию, возбуждаемую электрическим TO
ком, проходящим через ионизованный rаз или полупроводник.
Самосветящийся циферблат часов обладает радиолюминесцен-
цией, возникающей под действием частиц высоких энерrий
продуктов распада радиоактивных примесей к фосфору. Энер-
rия химических реакций возбуждает хемилюминесценцию, а если
это происходит в живом орrанизме, то такое испускание назы-
вают биолюминесценцией, примерами которой служит свечение
светляков и так называемая «фосфоресценция» моря. Особую
разновидность хемилюминесценции представляет собой TepMO
люминесценция, возникающая в том случае, коrда при HarpeBa
нии вещества начинаются химические реакции между реакцион
носпособными частицами, замороженными в твердой матрице.
Триболюминесценция наблюдается при разрушении некоторых
кристаллов, а сонолюминесценция
при воздействии интенсив-
ных звуковых волн на жидкость. При фотолюминесценции си-
стема получает энерrию, поrлощая инфракрасный, видимый или
ультрафиолетовый свет.
Изучение большинства разновидностей люминесценции мо-
жет дать определенную информацию о химическом составе си-
стемы и о процессах, протекающих после поr лощения энерrии
возбуждения. С этой точки зрения один из наилучших спосо-
бов
фотовозбуждение, ибо в этом случае удается хорошо
контролировать условия опыта. Выбирая определенную длину
волны возбуждающеrо света, можно подвести энерrию к опре
деленному компоненту химической системы и избавиться таким
12
rЛАВА 1
образом от осложнений, возможных в том случае, коrда энерrия
поrлощается всей системой. Исследования ФОТО.1Ю:\IИНССЦСIЩIIИ
и фотохимических реакций должны рассматриваться в рамках
единых представлений, поскольку процессы, приводящие к !IСПУ
скан ию света, тесно связаны с процессами, результатом которых
является фотохимическое пр ев ращение.
2. Прuрода света
Чтобы понять особенности взаИl\10деi'JСТI3!IЯ C13CTCl с веще
ствоы, необходимо использовать две модеЛII, ДОПОЛНЯЮЩIIС друr
друrа и на первый взrляд противореЧClщие дру]' друrу: 130ЛlIOВУЮ
и корпускулярную. Волновая модель объясняет явления, при
которых не происходит поrлощения света отражение, прелом
ление, дифракция. По электромаrНИТНОII теории Максвелла CMe
щения, составляющие колебание, представляют собой изменяю
щиеся электрическое и маrнитное поля, которые КО,lебтотся во
взаимно перпендикулярных направлениях и перпендикулярно
направлению распространения волны. Взаимодействие света с
веществом рассматривается как взаимодействие электрическоrо
поля волны с электронами атомов. Волны характеризуются ча
стотоЙ v и длиной волны 'А, связанными соотношением
'Ау == с,
(1)
rде постоянная C CKOpOCTЬ света в вакууме ("'3.10 10 CM/C).
ДЛЯ описания поrлощения и испускания света используется
квантовая теория, в основе которой лежит представление о том,
что лучистая энерrия может поrлощаться только определенными
порциями, или квантами. Энерrия Е, переносимая одним KBaH
том, пропорциональна частоте колебаний:
Е == hv == hc/'A эрr, (2)
rде h постоянная Планка (6,624.10 27 эрr.с). Следовательно,
монохроматический пучок радиации можно характеризовClТЬ не
только длиноЙ волны или частотой, но также и величиной KBaH
та. При химических исследованиях количество вещества удобно
измерять в rрамм молекулах, содержащих N отдельных моле-
кул (N == 6,023.1023). Соответственно в фотохимии наиболее
удобная единица энерrии равна 6,023.1023 квантам, или Nhv эр
raM. Эта единица носит название эйнштейн. Таким образом,
если на один поrлощенный квант реаrирует одна молекула, по-
rJlOщение одноrо эйнштейна света приводит к превращению од-
Horo моля вещества.
В соответствии с уравнением (2) величина эйнштейн чрез
вычайно сильно меняется от одноrо до друrоrо конца спектра
электромаrнитных волн (табл. 1). Так, 1 ЭlIнштейн rамма лvчей
ОСНОВНЫЕ ПРИlЩИПЫ и ОПРЕДIШЕНИ51
13
эквивалентен примерно 107 ккал, ультрафиолетовоrо и ВИДИl\10rо
света 102 ккал, света далекой ифракраСIЮЙ области около
10 I ккал, а длинных радиоволн Bccro лишь около 10 8 ккал.
Таблица 1
Приблизительные величины квантов
V' \I ВС,:iIlЧIIII<l ВСJ[!1ЧIIII:l Прнрода поrЛОlцеlIИЯ
Тип излучения л, КП;)II ra, эi'tIJштС'i'l1i3, IUllI испускания
см ЫКМ эВ ю\:зл JlЗ.'iУЧСIlIШ
rамма лучи 10 10 I 106 1,2,10\1 2,9.107 I Ядерные реакции
Рентrеновские лу 10 8 10' 1,2.101 2,9. 10' Переходы BHY
чи тренних элек
ТрОIIОВ в атоме
Ультрафиолето- r 10 5 101 1,2.10\ 2,9' 102 I Переходы внеш
вые лучи 4.10 5 2,5 3,1 7,1.10\ > них электроно
l 8.10 5 1,25 1,6 3,6.101 J в атоме
Видимый свет
Инфракрасное 10 3 10 1 1,2. lo l 2,9 Колебания моле
кул
Инфракрасное, дa 10 2 10 2 1,2. 10 2 2,9. lo l В ращенне моле
лекая область кул
У лыракороткие 101 10 5 1,2. 10 Б 2,9 . 10 41 Колебания по
радиоволны 2,9 . 10 8 движных ил
Длинные радио' 105 10 9 1,2. 10 9 свободиых
волны электронов
в
и
При М е ч а н и е. Ниже пrиведеиы значения величин в разлнчвых едшIНЦ3Х для
нзлучеиия в близкой инфракрасиой области:
Длииа волны л . . . .. 1O 4 CM 1,000 микрометр (MKM) 1000 иаиометров (им)
Волиовое число V. . .. 104 CM l l,OOO MKM 1
Частота V . . . . . . .. 2,998.1014 c l
Энерrия эйнштейна . ., 28,57 ккал/моль
Энерrия кванта l,986.10 12 эрr 1,240 электронвольт (эВ)
1 эйиштейн/с 1,196.10'/л ваТт (Вт) (л в нм)
Таким образом, указанные виды излучения несут существенно
различные порции энерrии, и следует ожидать, что они отли-
чаются друr от друrа механизмом поrлощения или испускания
их веществом (см. шестоЙ столбец табл. 1). В табл. 1 использо
ван еще один способ выражения частоты волновое число V,
или число волн на единицу длины. От волновых чисел очень
просто переходить к длинам волн (обратная величина), и в этом
заключается преимущество данноrо способа выражения частоты
перед числом колебаний в секунду. Если v выражено в CM I, то
вместо уравнения (2) можно записать
Е == hcv эрr.
(3)
14
rЛАВА 1
в примечании к табл. указаны и некоторые друrие единицы из-
мерения длины волны, частоты и энерrии.
Для фотохимика наиболее интересны ультрафиолетовая и
видимая области спектра. При поr лощении света этих длин волн
возбуждаются внешние электроны молекулы, т. е. именно те
электроны, которые обусловливают химическую связь и, следо
вательно, возбуждение которых может приводить к химическому
превращению. Эти области наиболее важны и при изучении фо
толюминесценции, поскольку здесь также сначала возбуждаются
внешние электроны. Меньшую роль в фотохимии иrрает излуче-
ние с длинами волн больше 1,5 мкм (близкая инфракрасная об
ласть), поскольку химические реакции с энерrиями активации
MHoro меньше 20 ккал/моль (эту энерrию несет квант света в
близкой инфракрасной области) MorYT протекать в темноте при
комнатной температуре за счет термической активации. Но в He
которых системах излучение более длинных волн может быть
фотохимиче.ски активно при низких температурах.
3. Фотохимия
Общеизвестно, что солнечный свет облеrчает протекание хи-
мических реакций; примерами служат выцветание тканей и об-
разование зеленой окраски растений. Можно сказать, что и снаб-
жение пищей Bcero животноrо мира в конечном счете зависит
от фотохимических реакций, осуществляющихся в растениях под
влиянием солнечноrо света. Количественное изучение фотохими
ческих реакций началось после Toro, как rpOTTYC сформулиро
вал в 1817 r. первый закон фотохимии: «Фотохимическое превра
щение вызывается только тем светом, который поrлощается си
стемой». Второй закон фотохимии был впервые сформулирован
Штарком (1908 r.), а затем Эйнштейном (1912 r.): «На одну
молекулу вещества, участвующеrо в фотохимической реакции,
поrлощается один квант света». Этот закон был выведен для ca
мых простых реакций и, cTporo rоворя, применим только к пер
вичному фотохимическому процессу, т. е. образованию в акте
поrлощения возбужденной частицы, поскольку некоторые возбу-
жденные молекулы MorYT тем или иным путем возвращаться в
начальное состояние, например путем испускания люминесцен
ции. Кроме Toro, даже если в реакцию вступают все молекулы,
первичные продукты часто оказываются неустойчивыми и под-
верrаются дальнейшим превращениям. В исследованиях фотохи-
мических реакций важным понятием является квантовая эф-
фективность, впервые введенная Эйнштейном. При определении
этой величины можно взять за основу либо число прореаrиро
вавших молекул исходноrо peareHTa, либо число молекул опре
деленноrо продукта (А), получившихся В реакции, в расчете на
ОСНОВНЫЕ ПРИНЦИПЫ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ
15
один поrлощенный квант света:
Квантовая эффективность разложения ==
Квантовая эффективность
Разложившееся вещество, моли
П6rлощенный свет, эйнштейны'
образования продукта А ==
Продукт А, моли
Поrлощенный свет, эйнштейны
(5)
(4)
Аналоrично можно выразить и эффективность фотолюминес
ценции:
Квантовая эффективность
фотолюминесценции ==
Испускание света, эйнштейны
Поrлощенный свет, эйнштейны .
(6)
Часто реакции, следующие за первичным фотохимическим
акт?м, носят Сложный характер, и квантовый выход фотохимиче-
скои реакции может варьировать от миллиона (взрыв смеси во-
дорода и хлора) до малой доли единицы (выцветание свето-
стоuйких красителей). Задача фотохимика понять 'как первич-
ныи процесс, так и последующие реакции. Подобная же задача
возникает и при изучении механизма фотолюминесценции, но
обычно она проще, поскольку испускание в общем случае проис
ходит в двух из всех процессов, следующих за первичным актом
поrлощения света, а квантовая эффективность фотолюминесцен-
ции никоrда не превышает единицы.
Подобно тому как для объяснения всех свойств света не-
обходимо привлекать как волновую, так и корпускулярную
модели, точно так же электроны и ядра атомов Приходится рас-
сматривать и как электрически заряженные частицы, и как
волны. Математическим выражением двойственной природы
электронов, находящихся в аТОмах и молекулах, является вол-
новое уравнение Шрединrера. Решая это дифференциальное
уравнение для какои либо системы, можно получить значения
энерrии различных возможных состояний, или уровни энерrии,
на которых может находиться система. Поrлощение атомом или
молекулой кванта света может произойти тоЛько в том случае,
ес и величина кванта точно равна разности энерrий двух состоя-
нии, возможных для системы. В результате поrлощения кванта
света система переходит с нижнеrо уровня (E 1 ) на более высо-
кий уровень (Е 2 ):
hv==E2 El'
(7)
Колебательное и вращательное движение молекулы тоже
квантуется, т. е. колебательная и вращательная энерrия поrло-
щается или теряется только дискретными порциями. Поэтому
11)
rЛАВА 1
ОСНОВIIЬШ ПРИlЩИПЫ 11 ОПРIЩЕЛЕIIII5I
17
полная энерI'ИЯ определенноrо состояния молекулы может быть
записана как суыыа энерrии э.1Jектронноrо возбуждения Ее, КО-
лебатеJIЬНОЙ энерrии Ev и вращательноЙ энерrии Er:
E Ee+Eи+Eп (8)
а уравнение (7) можно переписать так:
hv == f..Ee + f..Ev -+ !'1Е п
флуоресценции наиболее распространенноrо типа фотолюми
несценции. Друrие ее типы и ИХ связь с быстроЙ флуоресценцией
будут рассмотрены позднее.
Б. ФЛУОРЕСЦЕНЦИЯ
(9)
1. Природа 'флуоресценции
При комнатноЙ температуре большинство молекул находится
на самом нижнем колебательном уровне OCHOBHoro электронноrо
состояния (уровень О состояния 50 на рис. 1) и переходы с по-
rлощением света происходят именно с этоrо уровня вверх (пере-
ходы а и Ь на рис. 1). Вращательные уровни всех молекул в
растворах расположены столь тесно, что спектрально они нераз-
личимы, и колебательные уровни на рис. 1 следовало бы изобра
зить в виде полос, содержащих и вращательные уровни. HeKOTO
рые молекулы имеют сравнительно простой набор колебатель
ных уровней, и в спектре поrлощения он проявляется как после
довательность хорошо разрешенных максимумов (кривые А на
рис. 2). Однако у мноrих сложных орrанических молекул этот
набор колебательных уровней настолько сложен, что все I1ере
ходы а (рис. 1) на колебательные уровни первоrо электронно-
возбужденноrо состояния дают одну широкую полосу поrлоще-
ния (например, Б на рис. 2); еще одна широкая полоса поrло
щения, расположенная при более коротких волнах и не показан-
ная на рис. 2, соответствует переходу Ь (рис. 1) на колебате,'IЬ
но вращательные уровни BToporo электронно возбужденноrо co
стояния.
Молекула, попавшая на верхние колебательные уровни ЛIO
боrо возбужденноrо состояния, быстро теряет избыток колеба-
тельной энерrии при столкновениях с окружающими молеку
лами. Этот процесс показан на рис. 1 волнистыми ЛИНИЯМИ. Из
вестно также, что в молекулах почти всех соединений, возбу
жденных в любое электронное состояние выше Первоrо, имеет
место внутренняя конверсия переход молекулы с нижнеrо KO
лебательноrо уровня BepXHero состояния на имеющий ту же пол
ную энерrию верхниЙ колебательныЙ уровень более низкоrо
электронноrо состояния (rоризонтальные стрелки на рис. 1).
Как только произоЙдет внутренняя конверсия, молекула быстро
теряет избыток колебательноЙ энерrии при столкновениях с MO
лекулами растворителя. Таким образом, если молекула попадает
в любое состояние, расположенное выше caMoro нижнеrо коле
бательноrо уровня первоrо электронно возбужденноrо состоя
ния, ТО В результате упомянутых проЦ( ссов она быстро Перехо
дит в это состояние. Некоторые фотохимические реакции мо-
I'YT протекать через более высокие элеКТРОЮIO возбужденные
т. е. полное из !еиеШIе Эtlерrии при поrлощении кванта света
можно предстаВIl1 ь в ВlIДe суммы изменений количества элек
тронных, колебательных и вращательных квантов. Колебатель
ные кванты меньше электронных, а вращательные меньше коле
бательных. Возможные энерrетические состояния молеКУ,1JЫ
}
'" \!) '-J
g t>;
Е: <..>
щn. O t>;
ные 'о:::! о
УР дни 5
e
2 о,.-.., !
':>0' ro C\J
2-
t:':::: t>;
Е: \!) 2.",
:::rE:
'о:':
Cb«>
ci2.
::t>
::,
::: 1}t!1:L"!.e.
!iЯ.я I<ОН'
1: -'O-
<'><..> в.!E "....
00
сь<..>
.
,
u<=..
:;;- 11>11;
-.... :::.
<l> '"
:::s :::s
::: :::
<11 11>
:f :f 4
о о 2 J
..
'"
о
1 Ера
О .=;; } те;ь
4
3
2
1
О
t::
2 с"'""'
O I с\} ....
<II\!)«> 1:
",0,,;<,> u
"'g 8
Р II С. 1. ПеjJехо"ы, 11[111 которых !JОЗIIlIКi1IOТ СII(,!(ТРЫ поrлощения и спектры
IIСlIУСК3II1IЯ флуоресценции.
удобно представить в виде простоЙ схемы уровней энерI'ИИ
(рис. 1). КаждыЙ электронныЙ уровень расщепляется на серию
колебательных, а каждый колебательный на серию тесно pac
положенных вращательных уровнеЙ (на рис. 1 показаны только
вращательные уровни IJlIЗIllеrо колебательноrо УРОВНЯ OCHoBHor.o
электронноrо состоянии). Пользуясь этоЙ схеl\lОЙ, мы дадим в
следующем разделе простое качественное описание быстрой
18 rЛАВА 1
.. .
0.8 с ...
<.J A C:\
В ;L..
(:$ 11 I <:,.::.
:t: 1. I
<>'1:) 0,6 11 I ... ioj
11 I :х:
Е::,: 11 1, "'-.>
'<: 11 ':" <:)
>: !; 11 I :o
E: '11. I '" :(
0<> 1 11:: 1 t>;
0,4 r 1: 11 I I "'
I ,€5-.....
0\:( '.111 1
oi I I J " 1 <и",
I " I <:1'\
,-,'" I J'!/ 'V I :t: О
0,2 f <:о
:::s I Б" \ I '"
Е: \ " J \ I "'
t:: I , , I
а ' ....J '\ "'
с")
О 300 БОО
60ЛНЫ,НМ
0.8 d C
<.J А А В <:О"
...... ,1 I
с:\ ,1 I E:
:t: ,1 1
"'....... 0,6 1 "'"'
11 :::s'"
I ::s
ElQ l' ':::' t::>..
'" 1 I :r;:(
"''' " 1, 11 :>.:0\
.\ I I .. !'t:
t I :::S
о 0,4 " " , "=...
"1 <> 1 ',' 1 I1
t:: , 1,' '11
оо;? I , \.' 1, 1 <u:::s
C:\:r
I>; \ '\' ..."' '1 I :l:1o!
, '0/" \\ 1
0,2 \ Б"........... \ I :Q:Q
".-....... \ ,,1 \ Е:<:О
" " ...." \ I ",С
Е: 1\ ..." I ,\ (:$:1:
с3 \ ; ci
<:o
О 3,8 3,4
Волновое число, MK.м 1
Рис. 2. Спектры поrлощения (А, Б) и флуоресценции (В, r) антрацена и
бисульфата хинина в координатах энерrия длина волны (а) и кванты
волновое число (6) [158].
А антрацен в этаноле (17,2 мкr/мл); Б бисульфат ХIIНlIна в 0,1 н. серноЙ кислоте
(25 мкr/мл); В антрацен в этаноле (1,0 мкr/мл); r бисульфат хинина в 0,\ н. серной
кнслоте (1,0 мкr/мл). Использованы кварцевые пр"зменные СIIСКТрОМСТрЫ. Полуширина
Полосы O,028 MKM l (4,5 нм) при 2,5 MKM l (400 нм) для флуоресцснции и ОКоло
0.0005 MKM 1 для поrлощения.
состояния, но, чтобы успешно конкурировать с внутренней KOHBep
сией и колебательной релаксацией, они должны иметь высокую
скорость. То же самое можно повторить в отношении испускания
света ero скорость должна быть rораздо выше типичных для
этоrо процесса значений, и в растворах испускание из высu:их
электронно возбужденных состояний наблюдается чрезвычаино
ОСНОВНЫЕ ПРИНЦИПЫ 11 ОПРЕДЕЛЕНИЯ
19
редко. Однако внутренняя конверсия из НlIжнеrо колебательноrо
уровня первоrо электронно возбужденно!'о состояния в основ-
ное сраннительно l\!едленныЙ процесс (время жизни S[ по
рядка 1 O 9 с, а вреl\!Я жизни BbICOI\Oro возбужденноrо состояния
порядка IO \2 с). Поэтому в первом возбужденном состоянии Ha
блюдаются процессы испускаю!я и фотохимическоrо превраще-
ния, даже если их скорость не очень велика.
Молекула испускает флуоресценцию при переходе с уровня О
СОСТОЯНИЯ S] на любоЙ колебатеЛЫIO вращптельныЙ уровень oc
HOBHoro СОСТОЯНИЯ (рис. 1, переход с). Если в этом переходе уча
ствуют все молекуJIЫ, поr лотившие свет, то квантовыЙ выход
флуоресценции раСТI:юра равен едИнице. Часть возбужденных
молекул может вернуться в основное состояние друrими путями
(например, через триплетное состояние, о котором пойдет речь
ниже) или же вступить в фотохимическую реакцию, и кванто-
вая эффективность флуоресценции будет меньше единицы и MO
жет оказаться даже близкой к нулю.
При комнатной температуре поrлощение происходит практи
чески только с нулевоrо колебательноrо уровня OCHoBHoro co
стояния, а испускание с нулевоrо колебательноrо уровня пер-
Boro возбужденноrо состояния. Поэтому только один переход
так называемый О О переход имеет одну и ту же энерrию и в
поrлощении и в испускании; остальные переходы отвечают б6ль
шим и меньшим энерrиям соответственно (рис. 1, переходы а и
с). Это означает, что спектр флуоресценции лежит с длинновол
новой стороны первой (т. е. длинноволновой) полосы поrлоще
ния и перекрывается с ней при длине волны О О перехода *. Фор-
ма полос поrлощения и флуоресценции определяется распределе
нием колебательных уровней состояний Sj и S2 по энерrиям. Это
распределение часто одинаково для обоих состояний, и поэтому
спектр испускания близок к зеркальному отражению спектра
поrлощения. Рис. 1 иллюстрирует также закон Стокса, утвер-
ждающий, что длина волны флуоресценции всеrда больше длины
волны возбуждающеrо света. Однако даже при комнатной TeM
пературе нижние колебательные уровни OCHoBHoro состояния
(например, уровень 1 состояния SO) в некоторой степени засе-
лены, и, следовательно, может иметь место переход О 1, про
являющийся В виде очень слабой полосы поrлощения. Практиче
ски эта полоса слишком слаба и не наблюдается в спектре по
,rлощения, однако можнCJ так поставить опыт, что будет Ha
блюдаться О О переход в испускании, если возбуждать ero при
длине волны О 1 перехода в поrлощении. В данном слу
чае длина волны флуоресценции будет меньше длины волны
* Для сложных молекул О,О полоса флуоресценции лежит при несколько
большеЙ длине волны, чем О О полоса поrлощения (см. кривые А и В .на
рИс. 2). Опричинах этоrо несовпадеНIIЯ см. в разделе 1, Б, 3.
20
r ЛАВА 1
возбуждаlOщеrо света. Пример такой антистоксовой флуорес-
ценции приве;I,ен В rл. V В связи с lIроблемой определения сле
дов некоторых веществ.
Если бы расположе1lие уровнеЙ, показанное на упрощенной
схеме рис. 1, было единственным фактором, влияющим на по-
rлощение и испускание света, то спектры поrлощения и флуо-
ресценции представляли бы собой последовательности одинако-
вых по интеНСИВ1IОСТ1I полос, идущие соответственно к коротким
и ДЛИlШЫI\1 волнаl\1. На C,HlOl\1 деле (ср. С1lектры А и В на р1lс.2)
И1lтенсивности полос существеНlIО 1IСОДНН(lКОВЫ, н эту особеll
ность лсrко оБЪЯСl!!!ТЬ, если ПР[I!IНТЬ ВО ВНlIМF1IIИС ПР[lНцип Фран-
ка Кондона.
2. П ринцип Франка Кондона
Принцип Франка Кондона основан на 1'01\1, что поrлощение
света происходит за время порядка 10 15 с, что соответствует пе
риоду колебаний световой волны. В течение этоrо вреl\1ени за-
меню не изменяются ни положение, ни импульсы тяжелых ядер
атомов молекулы. Таким образом, конфиrурация ядер и их OTHO
сительное движеНlIе до акта поr лощения света и сразу же после
Hero одинаковы. Чтобы ПОНЯТЬ, как это влияет на интенсивно
сп! различных колебательных полос, следует указать на CXel\1e
уровней потенциальной энерrии положение ядер. Вообще ro-
воря, заВИСИl\10СТЬ потенциальной энерrии мноrоатомной моле-
кулы от координат ядер может быть представлена только в мно-
rOMepHoM пространстве, однако для наших целей достаточно рас-
смотреть двухатомную молекулу, зависимость потенциальной
энерrии которой от межатомноrо расстояния показана на рис. 3.
Кривая MN соответствует потенциальной энерrии системы в oc
новном состоянии, а rоризонтальные линии отвечают молеку
лам в основном состоянии, имеющим различные количества
квантов колебательной энерrии. Молекулы с числом квантов,
равным нулю, слеrка колеблются около среднеrо межъядерноrо
расстояния, т. е. вдоль части кривой CD. Молекула с тремя
колебательными квантами колеблется вдоль пути ACDB
и т. д. Точки прямой линии АВ соответствуют молекулам с тремя
колебательными квантами, но с различными значениями потен
циальной и кинетической энерrии, сумма которых, т. е. полная
энерrин, однако, постоянна и равна расстоянию по вертикали от
минимума до линии АВ. Энерrия электронно возбужденноrо co
стояния представлена кривой ХУ, лежащей над кривоЙ MN на
высоте, равной энерrии электронноrо возбуждения. Орбиталь,
заполняеl\lая электроном в возбужденном состоянии, обычно за
нимает большую область пространства, чем для OCHOBHoro со-
стояния, поэтому положение равновесия в возбужденном со-
стоянии (середина отрезка RS) отвечает большему межъядер-
ОСJЮ13l1ыr: ПРИIl!I.Ш1Ы И ОПРЕДЕЛЕНИЯ
'21
ному расстоянию, чем ДЛН ОС1l0[ШOl'0 состояния (середина OT
резка CD). В момент поrлощею[я света молекула может Иl\1еть
различные. значения кинетr!чсскоЙ If потенциальноЙ энерrии, т. е.
может находиться в различных точках кривой CD. По припципу
Франка Кондона наlfболее верОЯТ!IЫI\! будет такоЙ переход,
при котором не изменяется [ш
положение ядер, ни ИМПУЛЬС.
Этот переход можно предста-
вить вертикальноЙ линией (Ha
пример, ЕР), проведенной
между двумя элеЮРОННЫМII
состояниями. р ассмотрение oc
циллятора в рамках квантовой
механики дает более полное
описание процесса. Из реше
ния волновоrо уравнения сле
дует, что наиболее вероятное
межъядерное расстояние для
молекулы с нулевой колеба
тельной энерrией соответству-
ет средней точке CD или RS.
Для более высоких колеба
тельных уровней области наи-
большей вероятности располо-
жены вблизи точек пересече
.ния потенциальных кривых ro-
ризонтальными лиНиями. Та- Р Ii С. 3. Пршщип ФраНКа КОНДОlJа.
КИМ образом, при поrлощении
возможно нескольк,? переходов, но наиболее вероятным будет
тот из НИХ, которыи отвечает вертикальной линии, проведенной
из середины отрезка CD дО пересечения с кривоЙ ХУ (т. е. ЕР на
рис. 3). Будут наблюдаться и друrие, как более ДЛинноволновые
так и более коротковолновые, переходы, имеющие меньшую Be
роятность, результате которых молекула попадает на колеба-
тельные уровни возбужденноrо состояния, соседние уровню PQ.
С уменьшением межъядерноrо расстояния потенциальная кривая
становится круче, поэтому интенсивность в спектре поr лощения
спадает в !fаправлении коротких волн более полоrо, чем с длин
новолновои стороны от максимума. При переходах на уровни,
расположенные в [ше ПУ1lКТИРНОЙ линии, молекула становится
настолько «сжатои», что полностью диссоциирует. Аналоrично,
если молекула получает достаточную колебательную энерrию в
основном состоянии (например, путем наrревания), она может
диссоциировать (вблизи Точки N).
После возбуждения на верхниЙ колебательный уровень (на-
пример, PQ) молекула быстро теряет избыток !(олебателыюй
х
:!:
..,
::х
::t
:t
'"
1:
у
о;
::х
М
<u
:!:
'"
N
Е
Межатомное расстояние
22
rЛАВА 1
энерrии и попадает на самыЙ нижниЙ уровень RS, с KOToporo
возможен переход с испусканием флуоресценции в основное со-
стояние. По ПрИНЦIlПУ Франка Кондона наиболее интенсивная
полоса испускания будет соответствовать вертикальноЙ линии,
проведенноЙ из середины отрезка RS в точку В, а друrие, менее
интенсивные переходам на колебательные уровни OCHoBHoro
состояния, соседние АВ. Форма спектра испускания будет зави
сеть от относительноrо расположения минимумов верхнеЙ и ниж
неЙ кривых. Для большинства веществ кривые не очень сильно
сдвинуты относительно друr друrа по оси абсцисс и справа от
вертикали кривая OCHOBHoro СОСТОЯНИЯ идет круче, чем слева.
Поэтому 13 направлении длинных волн интенсивность флуорес-
ценции будет спадать более полоrо, чем в направлении KOpOT
ких волн. Более крутоЙ спад в направлении длинных волн будет
наблюдаться, если минимумы кривых соответствуют существен-
но различным межъядерным расстояниям. В промежуточном
случае полоса флуоресценции будет иметь почти симметричную
форму.
3. O-О Переходы при поzлощении и при испускании
Итак, по закону Стокса спектр флуоресценции лежит с длин-
новолновоЙ стороны от самоЙ длинноволновоЙ полосы поrлоще-
ния, а относительная интенсивность ero колебательных Компо-
нент определяется принципом Франка Кондона. В данном раз
деле мы дадим объяснение уже упоминавшемуся несовпадению
О О переходов при поrлощении и при испускании. Как в OCHOB
ном, так и в электронно'возбужденном СОстоянии молекула соль
ватирована за счет диполь дипольноrо взаимодеЙствия с моле-
кулами растворителя. Степень сольватации определяется в ко-
нечном итоrе распределением электронноЙ плотности в молеку-
лах, от KOToporo зависит величина дипольноrо момента либо
постоянноrо (ДЛЯ полярных молекул), либо наведенноrо (ДЛЯ
неполярных молекул). В возбужденном состоянии молекула
имеет иное распределение электронноЙ плотности, чем в основ-
НОМ состоянии. Поэтому при возбуждении изменится ПОСтоян-
ныЙ дипольныЙ момент и (или) поляризуемость, от котороЙ за
висит наведенныЙ дипольныЙ момент; следовательно, должна из-
мениться и степень сольватации. Однако поrлощение света про-
исходит так быстро, что в жидкости при комнатноЙ температуре
молекула не успевает изменить ориентации и сразу после воз
буждения оказывается в нераВновесном состоянии сольватации
имеющем большую энерrию, чем равновесное (переход аЬ H
рис. 4). Время жизни в возбужденном состоянии достаточно ве-
лико, и еще До испускания света происходит релаксация в рав-
новесное состояние с с меньшеЙ энерrиеЙ. Аналоrично при испу-
ОСНОВНЫЕ ПРИНЦИПЫ И ОПРЕДЕЛЕНЩI
23
скании света молекула переходит в основное состояние, но по
падает при этом в состояние сольватации, соответствующее paB
новесноЙ конфиrурации электронно возбужденноrо состояния
(d), имеющеЙ большую энерrию, чем равновесная конфиrурация
OCHOBHoro состояния
(а). Затем происходит
релаксация из d в а.
Очевидно, что поr ло-
щаемая порция энер
rии больше, чем ис-
пускаемая, хотя и по
rлощение и испуска
ние соответствуют
О О переходу. Разность
энерrии расходуется
на наrревание paCTBO
рителя в двух упомя
нутых процессах рела-
ксации.
При достаточно
низкоЙ температуре и
высокоЙ вязкости про
цесс Ь с не успеет
проЙти за время жиз-
ни возбужденноrо со-
стояния, испускание
произоЙдет из состоя-
ния Ь или же из како-
rо либо . состояния,
промежуточноrо меж-
ду Ь и с, и разность
энерrиЙ О О переходов
уменьшится. При ВЫ-
сокоЙ температуре раз
ность энерrиЙ переходов также мала, поскольку не столь велико
различие конфиrурациЙ Ь и с. Таким образом, разность энерrий
О О переходов должна проходить через максимум при умерен-
НЫХ температурах, и это деЙствительно имеет место [1].
u Поскольку разность энерrиЙ О О переходов определяется раз-
нои степенью сольватации в двух состояниях, она будет наи-
большеЙ для тех молекул, дипольный момент которых сильно
изменяется при переходе в первое электронно возбужденное со-
стояние, и для тех растворителеЙ, полярность КОТОРЫХ доста-
Точно велика. ДеЙствительно, существует определенная связь ме-
ЖДУ сдвиrом О О полосы, полярностью раСТворителя и измене-
f!ием дипольноrо момента при возбуждении. Измерив сдвиr
НеусmОUЧUБQЯ
КонфuщрацШl
оозоу:нсоенно;?о
состоSlНИSI
\J(
О
о
) ,
"
'-.J "
'>"
Устоiiчuвая
конфuzурацuя
оозdужден ноео
состоянuя
О О
о ( с ) 0
О О
jhY'
О О
о С d ) 0
\J О --/ О О
с 1 ) Неустоiiчuва.я
О . /(ОIlФUZ!lраЦU51
'-.J ОСНОБНОZО
УсmоiiЧUБCiЯ состояния
хонфцzураЦU51
ОСНОБНО;?О
состояния
ь
hjJ
Рис. 4. Изменение сольватации после возбу-
Ждения или испускания.
Большими и малыми овалами схематически обозн
чены молекулы расТВореиноrо вещества 11 сольвати
рующеrо растворителя.
24
r ЛАВА 1
О О полосы В разных растворителях, можно рассчитать диполь-
ный момент возбужденной молекулы [2, 3].
Следует отметить, что в возБУL.Кденном состоянии размеры
электронной оболочки молекулы больше, чем в основном состоя-
нии. Поэтому поляризуемость при возбуждении увеличивается,
и даже при постоянном дипольном моменте это неизбежно дол-
жно увеличить степень сольватации и привести к появлению не-
большой, но вполне ощутимой разности О О переходов при поrло-
щении и при испускании.
4. ЗаКОНbl nоzлощения и испускания света
Рассмотрим параллельный пучок света интенсивности /0, па-
дающий на образец с параллельными стенками (рис. 5). Часть
<:
l'
)о
d\',
10
== :: ::.=- =- =-
/т
l R
Рис. 5. I( ВЫВОДУ закона Ламберта Верз.
света (/R и /R) отражается на двух rраницах, часть (/в) рас-
сеивается в среде, часть (/ А) поrлощается и часть / т выходит
из образца. Очевидно, можно записать следующее равенство:
/O /R+/R+/s+IA+/T' (10)
При перПендикулярном падении на rраницу воздух/стекло OTpa
жается примерно 4% света; при измерении спектров поrлоще
ния потери на отражение обь!чно компенсируют. В прозрачных
растворах доля рассеянноrо CBe a мала, и мы б дем принимать
во внимание только поrлощенныи и пропущенныи свет. Если па-
дающий свет монохроматичен, вещество состоит из одинаКОВQ
поrлощающих молекул и возбуждается незначительная доля мо-
лекул образца, то доля поrлощенноrо света не зависит от интен-
сивности падающеrо пучка и каждая молекула представляет со-
бой как бы мишень для квантов данной длины волны, имеющую
площадь сечения k.
ОСНОВНЫЕ ПРИНЦипы И ОПРЕдЕЛЕНИЯ
25
Выделим внутри образца бесконечно тонкий слой толщины
dl. Интенсивность света, поrлощенноrо в этом слое, dl А равна
произведению интенсивности падающеrо света 1 на толщину
слоя и на полное эффективное сечение молекул в слое в расчете
на 1 см 2 пучка:
dl А == dl == 1 kc' dl,
(11)
rде с' число молекул в 1 см 3 , а k эффективное сеч ние од-
ной молекулы в см 2 . Интеrрированпе в пределах от О до [' при
водит к хорошо известному закону Ламберта Бера:
Ir/1o == e kc'l', (12)
в котором обычно опускают индекс Т и штрих у [.
Естественно, что коrда интенсивность падающеrо света столь
велика, что заметная часть. молекул оказывается в возбужден
ном состоянии (и, следовательно, имеет уже друrое значение ce
чения k), уравнение (12) не выполняется. Однако при KOMHaT
ной температуре в жидкостях, насыщенных воздухом, времена
жизни синrлетных и триплетных (см. ниже) состояний столь
малы, что электронно возбужденные молекулы MorYT накопиться
в ощутимых концентрациях только при облучении светом чрез
вычайно высокой интенсивности. Отклонения от закона Лам
берта Бера можно наблюдать и при умеренных интенсивно
стях, если ОПыты про водятся в жестких средах при низкой TeM
пературе, [де из за большоrо времени жизни триплетных
молекул они MorYT накопиться в значительных концентрациях.
Впрочем, уравнение (12) можно использовать и в этих случаях,
если принять во внимание реальные концентрации и правиль-
ные значения сечений молекул как в основном, так и в возбу-
жденном состоянии.
В уравнении (12) концентрация с выражена через число мо-
лекул в 1 см 3 , а эфф ктивное сечение молекулы k в квадрат-
ных сантиметрах.
Уравнению (12) можно придать форму, более удобную в
практическом Отношении:
Ig (/0/1) == ecl.
(13)
в уравнении (13) используется десятичный лоrарифм, КОнцен-
Трация выражена в молях на Литр, а е молярный коэффи-
циент поrашения (экстинкции). Величины k и е связаны про-
стым соотношением
k == 2300e/N, (14)
rде N число Авоrадро (6,023.1023). Максимальные знаЧенйs:l
е молекул с молекулярным весом несколько Сотен Составляют
примерно 105, и из уравнения (14) следует, что сечения таких
26
r ЛАВА I
приблизительно 10 16 см 2 , т. е. молекулы
как бы непрозрачные мишени размерами
молекул составляют
представляют собой
1 2 А (10 8 см).
Величина Ig (10/1) называется оптической плотностыо или
поrлощаемостью раствора (табл. 2); она пропорциональна KOH
центрации поrлощающих частиц. Если в образце имеется He
сколько сортов поr лощающих частиц (например, два А и В),
т а6лuца 2
Термины и обозначения, используемые в абсорбционной спектроскопии *
Рекомендуемые [4] Используемые
Падающая лучистая мощность РО Интенсивность падающеrо 10
света
Пропущенная лучистая мощ Р Интенсивность пропущенноrо 1
ность света
Поrлощательная способность а Коэффициент поrашения (эк х
стинкции)
Внутренняя длина кюветы v Оптическая толщина слоя 1
Поrлощаемость А Оптическая плотность D
Пропускаемость (РI РО) т Пропускание (1110) т
Молярная поrлощаемость в Молярный коэффициент по- 8
rащення (экстинкцни)
При м е ч а н и е. 8 относнтся к коицентрацни, выраженной в молях на лнтр.
)( В rpaMMax иа лнтр, 1 выражается в сантим етрах. Велнчины связаны между собой
следующим соотношеиием:
D Ig (lol1) ecl lg (l/Т) )(сlМ,
rде М молекулярный вес.
. Полезно привести анrлийские эквивалеиты иекоторых терминов: absorptivlty (поrло-
щательная способность), аЬsоrЬапсе (поrлощаемость), ехtiпсt!оп (поrашеиие или Экстин,
кция). trапsmit!апсе (пропускаемость). Термины из левой части табл. 2 в советской науч'
ной литературе не приняты. Да и в литературе иа аиrлийском языке (в том числе в да иной
книrе), как правило, используются термины и символы, приведенные в правой части
табл. 2. П рим. ред.
то оптическая плотность смеси (D T ) определяется оптическими
nлотностями (D А и D B ), соответствующими К8ЖДОМУ сорту ча-
CT Ц в отдельности. Эту связь нетрудно получить из уравнения
(11"), подставив в Hero полное эффективное сечение (в см 2 ) мо-
лекул обоих сортов (k AC + kBC ) dl вместо kc'dl:
1/10 == ехр [ (kAC + kBC ) i] (15)
или
D T == Ig (10/1) == ВАС Al + BBCBl === D А + D B .
(16)
Следовательно, оптическая плотность смеси равна сумме оптиче-
ских плотностей отдельных компонент.
Спектры поrлощения представляют собой просто rрафик за-
висимости величины в или ее лоrарифма от длины волны или ча-
ОСНОВНЫЕ ПРИIЩИПЫ 11 ОПРЕДЕЛЕНИ51
27
стоты поrлощаемоrо света. Что касается спектров флуоресцен-
ции, то их обычно строят одним из двух способов: 1) по оси ор-
динат откладывают число квантов, испускаемых за секунду в
расчете на единиЧНЫЙ интервал длин волн при данной длине
волны (т. е. dQ/d'Л), а по оси абсцисс длину волны; 2) по оси
ординат откладывают число квантов, испускаемых за секунду в
расчете на единичный интервал частот при данной частоте (т. е.
dQ/dv), а по оси абсцисс частоту. Иноrда используют третий
метод строят зависимость от длины волны энерсuu, испускае-
мой за секунду в единичном интервале длин волн (т. е. dЕ/d'Л);
в фотохимии этим способом пользуются редко. Образец испу
скает флуоресценцию во всех направлениях, но очень редко при
ходится откладывать на rрафиках абсолютные интенсивности,
обычно вполне достаточно знать их относительные знач ния.
При меры спектров, построенных первыми двумя способами, при
ведены на рис. 2. В обоих случаях площадь под кривой пропор
циональна полной скорости испускания флуоресценции всех длин
волн, измеряемой в единицах, пропорциональных числу квантов
за единицу времени. Если используют третий способ, то площадь
под кривой дает полную энерсuю, испускаемую за единицу вре-
мени. Часто бывает нужно перейти от длин волн к частотам, и
наоборот; для этой цели пользуются уравнением (1). Единица
частоты не очень удобна для наиболее важноrо в фотохимии
участка .спектра (200 800 нм): во-первых, получаются слишком
большие численные значения, во-вторых, при переходе к длинам
волн приходится использовать множитель с (скорость света).
Поэтому чаще Bcero в качестве единицы «частоты» используют
волновое число число волн на 1 см. Тоrда области 200
800 нм соответствует диапазон 50 000 12 500 CM l, а если ис-
пользовать еще более удобную единицу обратный микрометр,
то диапазон 5,0 1,25 MKM l.
С теоретической точки зрения предпочтительнее строить
спектры в шкале частот или волновых чисел, а не длин волн, так
как процеtсы поrлощения и испускания квантованы и величина
кванта пропорциональна именно частоте; при этом получается
правильное соотношение разных полос по их ширине, в то время
как в шкале длин волн полосы в длинноволновой области полу-
чаются чрезмерно широкими. С друrой стороны, автоматическая
запись на спектрометре с дифракционной решеткой линейна по
длинам волн, и такие спектры часто приводят, если не нужен
полностью исправленный спектр. В данной книrе мы будем поль-
зоваться обоими способами построения спектров.
Поскольку испускание практически всеrда происходит с ниж
Hero колебательноrо уровня первоrо возбужденноrо состояния
(см. рис. 1), форма спектра флуоресценции не зависит от длины
волны возбуждающеrо света. Это правило иrрает важную роль
28
rЛАВА 1
в практичсскоЙ спсктрофлуориметрии, ТеШ как еслн на опыте об-
наруживается, что вид спсктра ,\!енятся с ИЗМСНСIIIIСМ длины
волны возбуждающсrо света, то это lOжет означать, что в Сl\1ССИ
содержитсн несколько флуоресцирующих КОl\1понентов. Известен
ряд исключениЙ из этоrо правила, которыс будут обсуждены в
этоЙ книrе.
Связь интснсивности флуоресцснции с коэффициеНТОl\1 поrа-
шения леrко установить, пользуясь законом Ламберта Бсра
[уравнение (12)]. По определению (уравнсние [6]) скорость ис-
пускания флуоресценции Q ра вна скорости поr лощения света (в
квантах в секунду), уыножснноЙ на квантовую эффеКТИПНОСТh
флуоресценции <р/, т. е.
Q===lлqJf (Iо /т)([Jf' (17)
или, если учесть уравнение (12),
Q == 10 (1 e kc'l) qJf' (18)
Разлаrая экспоненту в ряд, по учаем
Q == 10 [kc'l (kc'lп2 + (kc'l)3/6 ...] qJf' (19)
Переходя к концентрациям с, пыраженным в молях на литр,
и к молярному коэффициенту поrашения [см. уравнение (14)],
имеем
Q == 10 (2,38С!) [1 2,38Cl/2 + (2,38Cl)2/6 ...] qJf' (20)
Для слабо поrлощающих растворов оптическая плотность 8С!
мала и уравнение (20) упрощается:
Q==о 10 (2,38cl) ([Jf' (21)
В табл. 3 приведены ошибки, которые получаются, если BMe
сто точноrо уравнения (20) использовать приближенное ураШIе,
ние (21). Эти ошибки можно рассматривать как влияние эф-
фекта внутреннесо фильтра, которыЙ состоит в том, что интен-
сивность возбуждающеrо спета у заднеЙ стенки кюветы меньше,
Таблtlца 3
Ошибки, обусловлеииые эффектом BHYTpeHHero фнльтра
Оптическая 1 1 Ошибка
2' (2,3ecl) 6 (2,3ecl)' в веJllIчине '1,
плотность %
0,001 0,0011 0,000001 +0,1
От 0,011.') 0,0001 1,1
0,05 0,0575 0,0022 5,5
0,10 0,115 0,0088 10,6
0,20 0,2.30 0,035 20
ОСНОВНЫЕ ПРИ ЩИПЫ н ОПРЕДЕЛЕНIIЯ
Q9
чем У переднеЙ, из за частичноrо "ПОl'лощения света paCTBOpo .
Данные табл. 3 относятся к полно и флуоресценции, испускаемои
во всеХ направлениях. Обычно измеряется флуоресценция, ис-
пускаемая внутри сравнительно небольшоrо тслесноrо уrла, и
деЙствительная ошибка зависит от точноЙ rеометрии образца по
отношению к пучку возбуждающеrо света и направлению изме-
рения флуоресценции. Эффект BHYTpeHHero фильтра мы paCCMO
трим в r'I. 111.
Соrласно ур.авнению (21), для разбавленноса раСТВора дан-
Horo вещества, помещенноrо в данную кюпету, интенсивность
флуоресценции пропорциональна произведению концентрации
вещества на интенсивность возбуждающеrо света. COBpeMeH
ными фотоумножителями можно зареrистрировать чрезвычаЙно
низкие интенсивности света, и, следовательно, используя очень
высокие интенсивности возбуждающеrо света (10), можно опре
делить крайне низкие концентрации. Уравнение (21) объясняет,
почему спектрофлуориметрия rоразДО более чувствительныЙ ме-
тод, чем абсорбционная спектрофотометрия. В абсорбционной
спектрофотометрии концентрация пропорциональна величине
Ig(lo/1) и фактором, определяющим минимально обнаружимую
концентрацию, является минимально измеримая разность между
10 и 1: для достижения высокоЙ чувствительности нужно с высо-
кой точностью измерять интенсивность 1. Оценим предельную
чувствительность. Точность измерения величины Ig(lo/1) на про
дажных приборах с кюветой 1 см не превышает 0,001. ДЛЯ MO
лекул средних размеров значение 8 М а!(С редко достиrает 105. Под-
ставляя эти значения в уравнение (13), получаем
С мии > 10 3/105> 10 8M.
(22)
С друr'оЙ стороны, чувствительность спектрофлуориметра лими
тирустся в принципе лишь максимальноЙ интенсивностью воз
буждающеrо света, но не точностью, с котороЙ можно измерить
интенсивность света. В идеальных условиях предельная изме
римая концентрация имеет порядок 10 12 М.
Уравненис (21) помоrает такжс понять, как ИЗменяется ин
тенсипность флуоресценции при измснении длины волны возбу-
Ждающеrо спета. Для однокомпонентноrо раствора постоянной
концентрации интенсивность флуоресценции пропорциональна
величине 108qJf. Следовательно, если с изменением длины волны
возбуждаI<)щеrо света ero интенсивность остается постоянной,
интенсивность флуоресценции будет пропорциональна произве
дению 8rpf. [рафик зависимости этоrо произведения от длины
Волны или частотЫ возбуждающеrо света называется истинным
спектром возбуждения флуоресценции. Далее, для большинства
Сложных молекул в растворах эффективность флуоресцеНЦИff
30
r ЛАВА 1
(ер!) практически не зависит от частоты возбуждающеrо света.
Таким образом, истинный спектр возбуждения флуоресценции
разбавленноrо раствора, содержащеrо одну поrлощающую ком-
поненту, будет пропорционален коэффициенту поrашения 8, т. е.
будет просто спектром поrлощения этой компоненты (см., на-
пример, рис. 6). Следовательно, спектрофлуориметрию можно
.мк.м 1
р н с. 6. Спектр возбуждения флуоресценции (слева) и спектр поrлощения
(справа) 1,2-бензантрацена в этаноле [143].
Флуоресценцию реrистрировали при 2,25 2,45 MKM 1.
использовать для измерения спектров поrлощения флуоресци-
рующих веществ при концентрациях rораздо ниже тех, которые
требуются для измерения спектров поrлощения непосредственно
на. абсорбционном спектрофотометре. Как будет видно из даль
неишеrо, преимущество метода спектрофлуориметрии состоит в,
том, что, возбуждая смесь поrлощающих веществ и реrистрируя
флуоресценцию одноrо из них, можно получить спектр поrло-
щения именно этоrо вещества.
5. Вероятность перехода и время жизни
В разделе 1, Б, 2 было показано, как относительные вероят-
ности переходов на различные колебательные уровни BepXHero
электронно возбужденноrо состояния влияют на относительные
интенсивности поrлощения, соответствующеrо этим переходам.
Что касается абсолютных вероятностей самих электронных пе-
щ:новныЕ принципы И ОПРЕДЕЛЕНИЯ
31
рехОДОВ, то они зависят от типов участвующих в переходе элек
тронНЫХ состояний и именно они определяют суммарную интен-
сивность соответствующих полос поrлощения. Если оптические
переходы вероятны в поrлощении, то они вероятны и в испуска-
НИИ, и между вероятностью испускания флуоресценции и моляр
ным коэффициентом поrашения существует прямая свяЗЬ. Пре-
жде чем обсуждать ее, мы рассмотрим кинетику процесса испу-
скания флуоресценции.
Предположим, что мы возбудили некоторое число (по) моле
кул, переведя их в определенное электронное состояние в таких
условиях, что испускание света является единственным путем
возвращения в основное состояние. Вероятность Toro, что одна
из этих молекул испустит свет и возвратится в более низкое co
стояние, не зависит от присутствия друrих возбужденных моле
кул, и, следовательно, скорость испускания, т. е. число испускаю
щих молекул за секунду, пропорциональна числу молекул п,
имеющихся в системе в момент времени t:
dn/dt === kfn.
(23)
Интеrрируя, получаем
k f t
п === пое .
(24)
Для скорости испускания света Q имеем
Q === dn/dt === kfnoe kft === Qoe kft.
(25)
Интенсивность флуоресценции уменьшается, таким образом,
по экспоненциальному закону. Среднее излучательное вреМЯ
жизни флуоресценции 't r определяется выражением
't r == l/k f ,
(26)
It это есть время, за которое интенсивность уменьшается в е раз.
Параметр k! константа скорости первоrо порядка процесса ис-
пускания флуоресценции.
Связь излучательноrо времени жизни 't r С козффициентом
поrашения может быть выражена различными уравнениями, наИ
более УДQбным из которых является формула Боуэна и Уокса [5}
l/t r === 2900n2v f е dv, (27)
I'де f е dv площадь под кривой зависиМосtи Молярноrо коэф
фициента поrашения от волновоrо числа (рис. 7), vo волновое
число максимума полосы поrлощения, а п показатель прелом
лени я растворителя; при этом волновые числа выражены в об-
ратных микрометрах, а время жизни в секундах. Для мноrих
32
rЛАВА t
целей по формуле (27) Получается достаточно точное значение
Тт. Несколько сложнее уравнение, предложенное Фёрстером (6]:
J ( 2 ' ) 3
l/т == 2900п 2 v v е dv
r у'
(28)
rде \i/ волновое число, соответСтвующее линии зеркальной
симметрии между полосами поrлощения и флуоресценции
(рис. 7). В формуле Фёрстера учитывается асимметрия полосы
поrлощения, но Jlредполаrается существование зеркальной сим
метрии спектров флуоресценции и поrлощения, Позднее Биркс
""'"
..,
t
(,)
iIU р'
н
i
'-"
,..
. \
\
\
\. Ф !Jоресце}fЦJJ.5l
\
\
\
\
\
".
'..........
1....
Bo.,rнoвoe чис.l/О
Рис. 7. Метод вычисления излучательноrо времени жизни.
и Дайсон [7] вывели более точное уравнение, не оrраниченное
случаем существования зеркальной симметрии и Принимающее
во внимание дисперсию растворителя, но требующее интеrриро-
вания как по спектру поrлощения, так и по спектру флуоресцен
ции:
gl n{ J F dv
I/Tr ==2880 . .
gu Па J FV 3dv
J
v '
(29)
[Де gl И gu мультиплетности (см. раздел 1, В, 1) OCHOBHoro и
возбужденноrо состояний (для синrлет синrлетноrо перехода, от-
вечающеrо флуоресценции, gl/ gu == 1), п! и па средние показа
тели преломления растворителя в областях флуоресценции и по
rлощения, р интенсивность флуоресценции при волновом чис
ле v (выраженном в обратных микрометрах). Расчеты по урав-
нению (29) дают Хорошее соrласие с экспериментальными зна-
чениями времени жизни тех МОJIекул, конфиrурации ядер кото-
рых в основном и возбужденном состояниях мало различаются.
ОСНОВНЫЕ ПРИНЦИПЫ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ
33
.
ИЗ простоrо уравнения (27) можно получить даже еще более
простую формулу, приrодну для быс!рых оценок. Для \шоrих
полос поrлощения в видимои и близкои ультрафиолетовои обла:
стях эффективная полуширина (dv) составляет при комнатнои
температуре 0,2 0,5 MKM I. Поэтому J е dv можно считать paB
БЫМ примерно 0,3еманс, rде еманс максимальный коэффициент
поrашения полосы поrлощения. Середина наиболее интересноrо
спектральноrо диапазона соответствует примерно 2,5 MKM l, а п 2
можно принять равным 2; тоrда из уравнения (27) получаем
1fT; ::::< 104емэкс, (30)
Следовательно, излучательное время жизни сильно поrлощаю
щих веществ (например, красителей) с еманс около 105 будет
l\MeTb порядок 10 9 С.
Нужно подчеркнуть, что полученные вь шеуказанными спосо
6ами времена жизни представляют собои uзлучательные Bpe
мена жизни, т. е. те времена жизни, которые получались бы в
отсутствие всех друrих путей возвращения молекулы в основное
состояние. Поскольку друrие, конкурирующие с испусканием,
6езызлучательные процессы также имеют место, измеряемые
ВРЕ:мена жизни почти всеrда меньше, чем вычисленные значения.
Конкуренция безызлучательных процессов будет тем успешнее,
чем больше излучательное время жизни, и тем ниже будет ин-
тенсивность флуоресценции. Таким образом, излучательное Bpe
мя жизни caMoro низкоrо синrлет возбужденноrо состояния яв
ляется одним из rлавных факторов, определяющих интенсив
ность флуоресценции растворов при комнатной температуре (KO
личественное рассмотрение этих вопросов см. в r л. 11).
Применяя уравнения (27) (29), следуuет помнить, что инте
rрировать нужно только в пределах первои полосы поrлощения,
И на рис. 7 эта полоса ради удобства показана изо ирован:
ном виде. Однако на самом деле коротковолновыи краи первои
полосы поrлощения почти неизменно перекрывается с длинно
волновым краем второй полосы (перекрывание отсутствует
только для некоторых красителей). Перекрывание можно учесть
(и внести соответствующие исправления), если оно мало и пер
вая полоса поr лощения достаточно сильна. Но если она относи
тельно слаба и перекрыта .сильной второй полосой, то чрезвы-
чайно трудно, а иноrда и невозможно точно определить вклад
первой полосы поrлощения. В тех случаях, коrда перекрывание
не слишком велико и можно идентифицировать О О-переходы в
спектрах поrлощения и флуоресценции, можно воспользоваться
способом, показанным на рис. 8. Предполаrается, что в области
О О перехода первой полосы поrлощения коэффициент поrашения
второй полосы равен Нулю. Масштаб спектра флуоресценции
2 3ак. 1281
34
r ЛАВА 1
выбирается так, чтобы ero О О-полоса и О-О-полоса первой полосы
поrлощения имели одинаковую высоту. Затем получают зеркаль
ное отражение спектра флуоресценции и Принимают ero за
спектр, обусловленный одним только первым электронным пере-
ходом. К сожалению, этот способ далеко не универсален, так
как для мноrих веществ закон зеркальности не выполняется и
поэтому трудно определить положение О-О-переходов.
t
1\1
'01'
1t
I
t
'
'ё\
::s
0\
........
ВО.llновое цисло
Рис. 8. Оценка Вклада первой полосы поrлощения.
При рассмотрении вероятностей электронных переходов ча
сто польЗуются понятием силы осциллятора f. Она является ме-
рой различий между степенями дипольных колебаний электро
нов на тех двух орбиталях, между которыми происходит переход.
Она зависит также от таких характеристик этих двух Состояний,
как муЛьтиплетность (см. раздел 1, В, 1) и симметрия ВОлновых
функций. Для полностью разрешенных переходов f == 1, но дру_
rие важные переходы имеют rораздо меньшие значения Силы
осциллятора. Сила осциллятора связана с излучательным Вре-
менем жизни следующим уравнением [8]:
1,5. IO 8
Tr== fV2 (31)
Используя
уравнение (27) при п == 1, получаем
f==4,3. 10 5 f p,dv.
(32)
Так, если принять, что для типичной полосы поrлощения f p,dv
можно заменить на 0,3Р,манс, то сила осциллятора, равная еди-
нице, соответствует Р,манс 105.
ОСНОВНЫЕ ПРИНЦипы И ОПРЕДЕЛЕНИя
35
Излучательное вреМЯ жизни, вычисляемое по формулам
. (27) (29), ОТНОСlIТСЯ к спонтанному испусканию света и является
обратной величиной ве .оятности А пт (== 1/тт) Toro, что молеку а
соверШит излучательныи переход из BepxHero состояния п в ниж-
lIее состояние m В отсутствие излучения частоты v, соответствуlO
щей разности энерrий состояний п и т. В общем случае полная
вероятность перехода равна сумме вероятности А пт и величины
UvBnm, rде и v плотность излучения частоты v, а величина уВпт
постоянна для рассматриваемой системы. Свет, испускаемыи во
втором процессе, называют вынужденныuм (стимулированным)
uзлуttением, и ero фаза совпадает с фазои внешнеrо вынуждаю-
щеrо света. Вероятность вынужденноrо испускания ИvВ пm сов-
падает с вероятностью ИvВ mп обратноrо процесса, т. е. поrлоще-
НИЯ (соrласно формуле Эйнштейна, В тп ==. В пт === с 3 А пт /8л:hv 3 ).
Следовательно, если в любой системе заселенность OCHoHHoro co
стояния больше заселенности возбужденноrо, то суммарным pe
зультатом облучения светом частоты v будет поrлощение света.
Если каким либо способом в возбужденном состоянии удастся
получить большую заселенность, чем в основном, то облучение
светом частоты v приведет к дополнительному, стимулирован
ному этим светом испусканию излучения. На этом принципе ос- j
нована работа лазера, подробное рассмотрение KOToporo, однако,
выходит за рамки данной книrи. Вынужденное испускание леrче
Bcero получить в системах с узкой полосой люминесценции, и
для ero возбуждения требуются очень высокие интенсивности
возбуждающеrо света. Ниже мы будем рассматривать такие си-
стемы, В которых вынужденным испусканием по разным причи
нам можно пренебречь и, следовательно, в которых соблюдается
экспоненциальный закон спадания интенсивности флуоресцен-
ции, а времена жизни возбужденных состояний можно рассчи-
тывать по уравнениям (27) (29).
6. Типы эле1СТРОIlIlЫХ переходов
Распределение электронной плотности и энерrия молекулы
в основном и возбужденных состояниях в принципе MorYT быть
получены путем решения уравнения Шрединrера. Эти xapaKTe
ристики зависят от электростатическоrо притяжения между элек-
тронами и ядрами, электростатическоrо отталкивания между
электронами, межъядерных колебаний, вращения молекулы, а
также маrнитноrо взаимодействия, в котором участвуют спино-
вый и орбитальный моменты электронов, а также спиновые MO
менты ядер. Точное решение уравнения возможно только для са-
мых простых молекул, однако, отделяя орбитальное движение
электрона от спиновоrо и от движения ядер, можно полу-
чить приближенные решения. Предполаrается, что электроны
2-
36
rЛАВА 1
занимают молеКУЛЯрНblе орбuталu, каЖдая из которых может
принять два электрона, а переход между двумя состояниями мо-
лекулы рассматривается как перемещение электрона с одной op
битали на друrую.
u Оrраничимся несколькими наиболее общими типами орбита-
леи ОР,:анических молекул и рассмотрим распределение элек-
троннои ПЛотности в основном СОСтоянии и то, как оно изме-
няется при поrлощении света. Схематично это показано на
Тип связи
Перехоо
наименьшеu
энерzиu
в (9(:НОВНо,м
состоянии
Форма opdumavfU
в возdу:нсденном
состоянии
нзс н
н
H 5D
н
н
(j * -+----и
RzC===CRz
(Вид сбоку)
RR W RR
RR A3 RR
л* л
RzC===O
(Вид сверх!!)
R
:
A* п
Рис. 9. Типы электронных переходов.
рис. 9 и 10, которые носят качественный характер и не претен
дуют на точное СООТВетствие масштаба. На рисунках оrибающие
оrраничивают области пространства, rде вероятность нахожде-
ния электрона наибольшая. Незаштрихованные и заштрихован
ные области отвечают положительному и соответственно отрица-
тельному знакам волновых функций в данных областях. Плот-
ность заряда пропорциональна квадрату амплитуды ВОЛНОвой
функции и, разумеется, всеrдаПОЛОжительна.
Орбиталь пары электронов, образующих простую связь, сим
меТрична Относительно оси связи, а ПЛотность заряда электро
нов маКСимальна в области между связываемыми атОмами
(рис. 9). Такую орбита ль называют связывающей и обозначают
символом а. В результате поrлощения света один из пары элек-
тронов ПОднимается на а*-орбиталь, которая имеет узел (т. е.
ОСНОВНЫЕ ПРИНЦИПЫ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ
37
нулевую плотность заряда) в плоскости, перпендикулярной СВЯ
зи. Две части волновой функции этой орбитали имеют противо-
положные знаки, и это приводит К появлению отталкивания Me
жду атомами. Поэтому такую а*-орбиталь называют антисвязы-
вающей. При обозначении оптических переходов первым мы
всеrда будем указывать возбужденное состояние, а направление
перехода обозначать стрелкой. Вышеупомянутый поrлощатель
ный переход, следовательно, можно обозначить а* а, а обрат
ный переход (испускание света) а* а. В дальнейшем мы не
будем рассматривать a* a Вид Вид
переходы, поскольку они сtkжg ceep;ry
требуют значительных э. ер-
1 - из Пиридин С=;;) О
rий и, например, первь и (нет взаu.мо-
них (отвечающий наимень- дейст/щ.я)
шей энерrии) в насыщенных
соединениях происходит при Пирро.А .
Д линах волн ко р оче 200 нм. (есть BJauoМo- H
-действие)
Заметим, кстати, что в на-
'сыщенных соединениях, со- AHи иH _ H
держащих атомы с неподе (ВЗQuмодеисm- ( HH N
u u виев С.lfучае н
леннои парои электронов, п OCKoи конфи'
возбужденное состояние а* ypaи,ии)
можно получить путем воз- Рис. 10. Взаимодействие неподеленной
буждения одноrо из элек пары электронов с :тt-орбиталью.
. тронов этой пары (т. е. не-
связывающеrо, или п-электрона). Вероятно, наиболее длинно
ВQлновые переходы в алифатических спиртах, простых эфирах,
аминах, алкилrалоrенидах и т. п. соединениях представляют со-
бой именно такие а* +-- п-переходы [9]. Полоса поrлощения раз-
мыта и расположена примерно около 200 нм В эфирах и спиртах
и в более длинноволновой области в rалоrенсодержащих соеди-
нениях. Флуоресценция из состояния а* не наблюдается.
Флуоресценция почти всеrда обусловлена л-электронной си-
стемой ненасыщенной молекулы. Если в этой системе нет ато-
мов с неподеленной парой электронов (кислород, азот, сера), то
электронный переход с наименьшей энерrией соответствует про-
мотированию одноrо из электронов, занимающих л-орбиталь ос-
HOBHoro состояния, на более высокую л*-орбиталь. Например, в
этилене и ero производных одна из пар электронов, образую
щих двойную связь, занимает а-орбиталь, которая имеет такую
же форму, что и для Простой связи (на рис. 9 не показано).
Друrая пара электронов занимает л орбиталь, которая отве-
чает более высокой энерrии и имеет узел в плоскости rрупп R.
ЭТа орбита ль антисимметрична относительно нодальной (узло
вой) плоскости, т. е. ДВе части волновой функции орбитали
имеют протИВоположные знаки (показано штриховкой на рис. 9),
O
H
38
r JIABA 1
и заряд концентрируется, в. пространстве между атомами уrле-
рода так, что орбиталь является связывающей. Верхняя л*-орби-
таль имеет еще одну нодальную плоскость, перпендикулярную
направлению связи, поэтому является орбиталью антисвязываю-
IЦero характера, хотя этот характер в данном случае выражен
довольно слабо. В случае сопряженных двойных связей низ
шая л-орбиталь OCHoBHoro СОСТОяния имеет ту же форму, что и
для этилена, но плотность заряда распределяется по всей си-
стеме сопуяженных атомов yr л рода, разность энерrий л и л*-
о битал_еи меньше и первая полоса поrлощения лежит при
больших длинах волн. Если л* л-переходы не запрещены по
симметрии, они весьма интенсивны (8макс обычно от 104 до 105),
И В отсутствие синrлет-синrлетных переходов с более низкой
энерrиеи часто именно они обусловливают флуоресценцию.
. В нен сыщенных системах, содержащих атомы с неподелен-
нои парои электронов, ;,асто наблюдаются переходы, энерrия
ко:орых меньше, чем у л л-переходов. Например, в карбониль-
нои rруппе имеется пара электронов на а-орбитали, пара элек-
тронов на л-орбитали и две неподеленные пары электронов ато,
ма кислорода, причем одна из этих двух пар занимает несвязы-
вающую п-орбиталь, форма" Которой такая же, как у атомной
р-орбитали. (На рис. 9 a и л-орбитали rруппы с===о не пока
заны.) Как и в случае ПРОизводных этилена, узел п-орбитали
находится в плоскости rрупп R, и, следовательно, п-орбиталь
симметрична относительно Этой плосКости и мало перекрывается
с л-орбиталы? п-Орбиталь распОложена по энерrии выше дру_
rих орбиталеи OCHoBHoro состояния, и переход электрона на бо
лее высокую л* орбиталь (т. е. л* +-- п переход) обычно является
наиболее длинноволновым синrлет-синrлетным переходом. Ве-
роятность таких переходов мала (8макс < 2000), и излучатель-
ное время жизни возбужденных л* п соtтояний сравнительно
велико. Поэтому они сильне , чем л* Л-Состояния, подвержены
Процессам беЗ lзлучательнои дезактивации, и флуоресценция из
этих состоянии очень малоинтенсивна. Классификацию перехо
ДОВ по л* л- и л* п-типам впервые ввел Каша [10]. ,
При рассмотрении более сложных сопряженных систем, Ha
пример содержащих ароматическое кольцо и атом азота, необ-
хо има более детальная классификация орбиталей «неподелен-
'Нои пары» [11]. Рассмотрим орбитали неподеленной пары азота
в трех соединениях Пиридине, пирроле и анилине (см. рис. 10).
С атомом азота в пиридине связаны три триrональные sр2 rибри
дизованные орбитали и четвертая орбиталь р-типа. Две триrо-
нальные орбитали образуют простые связи кольца, а p-орбита!IЬ
составляет часть л-системы Кольца. Неподеленной паре элек-
тронов соответствует третья rибридная орбиталь, и r л авная
часть ее заряда направлена QT КОЛЬЦа. Она Сffмметрична ОТнQ<;И
основнЫЕ приНцi1Пы и ОПРЕ:ДЕЛЕНИЯ
39 -
тел ЬНО плоскости кольца (см. рис. 10, .ви д сбок ) И потому не
может сопряrаться с антисимметричнои системОИ л-электронов.
В этом отношении орбиталь неподеленной пары электронов ато-
ма азота аналоrична орбитали неподеленной пары электронов
карбонильной rруппы (см. выше) и может быть наЗl3ана несвн-
зынающей или п-орбиталью.
В пирроле атом азота связан простыми связями с КОЛЬЦО1\1 11
С атомом водорода. Поэтому электроны неподеленноЙ пары за-
нимают оставшуюся р-орбиталь, которая антисиммстрична OTHO
сительно плоскости кольца и сопряжена с ero л-электронной си-
стемой. Следовательно, в данном случае возможны только
п* л-переходы. Копланарная форма молекулы анилина по-
добна молекуле пиррола. Но если аминоrруппа повернута на 900
к плоскости кольца, сопряжение уже невозможно, и хотя при вы-
соких энерrиях может происходитьа* п-переход, л* п-пере-
ход не должен иметь места. При промежуточных уrлах ПОВОРОТ<l
аминоrруппы возможен переход сорбитали неподеленной пары
на л-электронную систему кольца, в результате чеrо получаетс)]
состояние со значительнЫм переносом заряда. Каша [11] назы-
вает такие внутримолекулярные переходы с переносом зарЯД<l
ал l-переходами. По своим свойствам они отличаются от на-
стоящих л* п-Переходов; в частности, по излучатепьным BpC
менам жизни они ближе к л* л-переход,,!м.
Итак, можно ожидать, что для соединений, подобных пири-
дину, наиболее длинноволновый переход это малоинтенсивный
л* п переход и, следовательно, такие соединения не флуорес-
цируют. У пиррола этот переход л* л типа, и пиррол должен
флуоресцировать. Анилин и ero аналоrи снеподеленными пара-
ми электронов на l-орбиталях будут иметь сравнительно интен
сивный длинноволновый переход и, следовательно, в общем слу
чае должны флуоресцировать. .
.. Если с электронной системой связаны как электронодонорные
(o , NH 2 , ОН И т. п.), так и электроноакцепторные rруппы (на-
- пример, СО, N0 2 ), то возбуждение уже нельзя рассматривать
как просто переход одноrо электрона с одной орбитали на дру-
ryю. В этом случае приходится принимать во внимание несколь
ко !ипов одноэлектронных переходов и каждый из них вносит
свои вклад в суммарный эффект. Возбужденные состояния с наи
меньшей энерrией, возникающие при таком переходе, Портер и
Саппан [12] назвали СОСтояниями переноса заряда, или СТ-со-
стояния ми (Charge transfer). Интенсивность этих переходов вы-
сока, и если СТ-состояние наинизшее по энерrии, то для Hero
возможно испускание флуоресценции. Примером мОжет служить
4;4/ тетраметилдиаминобензофенон в полярных _ растворителях
[12]; в твердом растворе при низкой температуре это соедине -
ние обладает (в дополнение к фосфоресценции) сравнительно
40
rЛАВА I
ОСНОВНЫЕ ПРИНЦИПЫ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ
41
интенсивной флуоресценцией (см. рис. 158, r л. V), хотя при
комнатной температуре в спирте эффективность флуоресценции
составляет Bcero лишь 10 З [13].
Переходы, близкие по природе к внутримолекулярным СТ пе-
реходам, ПРОИСХОДЯТ в межмолекулярных комплексах с пере
носом заряда (КПЗ) [14]. КПЗ образуется, если в растворе при
сутствуют как электронодонорные (D) соединения (например,
ароматический уrлеводород), так и электроноакцепторные (А)
соединения с СИЛЬными электронооттяrивающими rруппами (Ta
кими, как CN, СО или N0 2 ). Полоса поrлощения КПЗ лежит при
более длинных волнах, чем у компонентов D и А в отдельности,
и соответствует переходу в возбужденное состояние переноса
заряда, основной вклад в которое вносит конфиrурация D+A .
КПЗ часто флуоресцируют в твердом состоянии [15], а иноrда
обладают слабой флуоресценцией и в растворах [16]. Установле
но [442], что фосфоресценция различных КОЗ при 77 К обусло
влена переходом из триплетносо СТ состояния.
Таким образом, одним из основных факторов, ПОЗВОЛЯЮЩИХ
судить о способности молекулы флуоресцировать, является тип
возбужденноrо синrлетноrо состояния с наименьшей энерrией.
Набор экспериментальных способов идентификации л;* п пере
ходов был предложен Кашей [10], а впоследствии дополнен Сид
маном [17]. Портер [9] предложил аналоrичные Критерии для
переходов в СТ состояния. Ниже описаны три наиболее важных
способа идентификации.
В л и я н и е р а с т в о р и т е л я. Сравнение спектров поrло
щения показывает, что в полярных раСтворителях л;* л; пере
ходы расположены при несколько меньших волновых числах,
чем в неполярных. Так, при переходе от уrлеВОдородноrо pac
творителя к этанолу «красный» СДВиr Составляет Около 0,05 MKM I.
rораздо больший красный СДвиr наблюдается для СТ-переходов
(около 0,2 MKM I). В противоположность этому ДЛЯ л;* п пере-
ходов характерен «синий» спектральный сдвиr примерно на
0,08 MKM I. Чтобы ПОнять эти явления, нужно вспомнить, что вол-
новое число поrЛощательноrо перехода соответствует разности
энерrии равновесной конфиrурации OCHOBHoro состояния и энер-
rии состояния, Получающеrося сразу после поrлощения кванта,
т. е. «франк кондоновскоrо» состояния (состояние Ь на рис. 4).
Тоrда влияние растворителя на положение полос поrЛощения
можно свести к суммарному ero влиянию на энерrии состояний
а и Ь (см. рис. 4). В общем случае электронная оболочка воз
бужденноrо л;* л; состояния больше и, следовательно, ero ПОля-
ризуемость ВЫШе, чем у OCHOBHoro состояния. При переходе к по-
лярному растворителю увеличивается взаимодействие раствори
теля с обоими состояниями, но энерrия возбужденноrо состояния
снижается несколько больше, чем энерrия OCHOBHoro СОСТОяния,
и поэтом полоса поrлощения слеrка смещается в красную CTO
Н урис 11 это явление пока за но для бензофенона и ero
;етр мет лдиа минопроизводноrо, BTopa полоса поrлощ ния
K TO ых (около 4,0 MKM I) соответствует л; л; переходу. ла-
бый Ркрасный сдвиr наблюдается при переходе от циклоrексана
к этанолу. Влияние paCTBO
рителя на СТ переход мож
но проследить на примере
первой полосы поrлощения
кетона ихлера, которая
отвечает этому переходу. В
СТ состоянии ПОСТОЯННЫЙ
ДИПОЛЬНЫЙ момент rораздо
больше, чем в основном со-
стоянии, и соответственно
ero энерrия в полярном pac
творителе снижается силь .! 1000
нее, чем энерrия OCHOBHoro со)
состояния, а полоса поrло:
щения испытывает красныи
сдвиr (ср. кривые 2Ц и 23
на рис. 11). Но в незаме-
щенном бензофеноне первая
полоса поrлощения ведет
себя иначе. Эта полоса ма-
лоинтенсивна и соответству-
ет л;* п переходу. В по-
лярном растворителе п элек
трон участвует в образова-
нии водородной связи, а ero
перемещение в л; электрон-
ную систему ослабляет во-
дородную СВЯЗЬ. Поэтому при замене неполярноrо растворителя
полярным энерrия OCHOBHoro состояния снижается сильнее б чем
возбужденноrо, и полоса поrлощения сдвиrается в сторону олее
высоких волновых чисел (ср. кривые lЦ и 13 на ис. 1 1). СТ-пе-
В е Р оя т н о с т ь пер е х о Д а. Вероятность л; л; и
1 04 л;* п Пе р еходы ro-
еходов велика, и 8 м акс имеет порядок .
аздо слабее (8макс < 2000), и связано * это отчас:и со слабым
пространственным перекрыванием п и л; орбиталеи.
Э н е р r и я пер е х о Д а. Энерrия л;* п перехода меньше,
чем энерrия л;* л; перехода в уrлеводороде аналоrе рассма-
триваемоrо соединения с reTepoaToMoM (например, аналоrами
формальдеrида и пиридина являются этилен и бензол COOTBeT
стве'нно). В соединениях с донорными и кцепторными заместите
ля ми, присоединенными к л; электроннои системе СТ поrлощеНltе
10000
:::r
1000
'"
..
:;;
'"
:::
100 t;'
100
10
4,4
40 .3 5 3.0 2,52,3
" I
ВОЛНОбое число, ....КМ
Рис. 11. Сдвиr ПОД влиянием растви
рителя.
Бензофеион (1) н кетон Михлера (2) в цикло
reKcaHe (Ц) и в этаноле (3).
42
rЛАВА I
ОСНОВНЫЕ ПРИНЦИПЫ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ
43
чаются в принципе два разных возбужденных состояния син-
['летное и триплетное. Поэтому следует перестроить прежнюю
схему уровней энерrии (см. рис. 1), добавив к каждому пока
занному на ней синrлетному уровню по одному триплетному
уровню (рис. 12), за исключением синrлетноrо OCHoBHoro состоя
ния, которому соответствует пара электронов, занимающих одну
и ту же орбиталь и имеющих поэтому противоположные спины.
На рис. 12 около каждоrо Трип.lfеmна.я Син;метная
уровня В клетках (COOTBeT система система
ствующих разным орбита
лям) показано, как спин
возбужденноrо электрона Ha
правлен по отношению к спи
ну оставшеrося электрона.
Правило rунда для атомов
распространяется и на мо-
лекулы, поэтому триплет
ные уровни лежат HeMHoro
ниже, чем соответствующие
им синr летные уровни. Три
плеты атомов состоят из
трех тесно расположенных
,уровней энерrии. Однако в
;мq;jIекулах эти три состоя
iния, .вообще rоВОрЯ, нераз-
.личиl'4 ., и на рис. 12 три
,плетные ,состояния и связан-
;ные с н ми колебательные
:уровни изо();,ражены точно
=,так же, как .Н синrлетные.
.для простоты показан толь u
\КО один поrлощатеЛЬ,I;IJ:>IЙ переход на каждыи из веI:ХНИХ синrле
тов, а внутренней конверсии и потере колебательнои энерrии со-
ответствуют одиночные волнистые линии. u
Излучательные переходы между состояниями разнои мульти
плетности, например между синrлетами и триплетами, теоретиче-
ски запрещены. В действительности вследствие спин орбиталь
Horo взаимодействия такие переходы имеют место, хотя они и
rораздо менее вероятны, чем синrлет синrлетные или триплет-
';l'.риплетные переходы. Низкая вероятность перехода означает,
IЧ1lO полоса поrлощения слаба, а излучательное время жизни об
!IHl(f:ROrO перехода велико. Для разных переходов BreMeHa жизни
Iимеют разный порядок. Так, хорошо разрешенныи излучатель
wый переход л;* л; типа из caMoro нижнеrо возбужденноrо син
rлетноrосостояния имеет излучательное время жизни порядка
10 9 H) с, и даже для менее вероятных синrлет-синrлетных
происходит при больших длинах волн, чем в родственных соеди
нениях без Донорных или акцепторных заместителей.
До сих пор мы не рассматривали мультиПлетность различ
ных электрон ых состояний, т. е. не Принимали во внимание ре-
зультирующии спин электронов молекулы. Эти вопросы будут
обсуждены в следующем разделе.
В. ФОСФОРЕСЦЕНЦИЯ И ЗАМЕДЛЕННАЯ ФЛУОРЕСЦЕНЦИЯ
1. Трunлетное состоянuе
Основное Состояние почти всех молекул с четным числом
электронов (т. е. именно молекул, а не радикалов) таково, что
молекулярные орбитали заполнены Шlрами электронов. Соrласно
принципу Паули (или принципу исключения), электроны, зани
мающие одну и ту же орбиталь, имеют Противоположно рапра
вленные спины, и, следовательно, результирующее спиновое
квантовое число молекул в основном состоянии равно нулю.
Однако Коrда один из электронов промотируется на верхнюю
орбиталь, ero спин может оказаться ориентированным либо в
том же, либо в противоположном направлении, что и у оставше
rося на нижней орбитали электрона. В первом случае (<<парал-
лельная» ориентация) результирующее спиновое квантовое число
1 I
равно 2" + 2" == 1 и, если Система находится в маrнитном поле
(внешнем или же внутреннем, создаваемом орбитальным движе
нием электронов молекулы), проекция спина может принимать
три значения: +1, О или 1. ЭТИ три значения спиновоrо KBaH
TOBoro ЧИСла соответствуют разным энерrиям, и поэтому rоворят,
что молекула находится в трuплетном (тройном) состоянии. CTe
пень расщепления трех компонент триплета в отсутствие внеш
Hero маrнитноrо поля зависит от взаимодействия спиновоrо и
орбитальноrо движения, которое в свою очередь зависит от масс
атомов, составляющих молекулу. В случае леrких атомов ука-
занное взаимодействие мало, и в отсутствие внешнеrо поля три
плет ведет себя так, как если бы он был ОДиночным уровнем.
Мультuплетность состояния равна п + 1, [де п число несПа
ренных электронов. Следовательно, мультиплетность OCHoBHoro
.состояния большинства молекул с четным числом электронов
равна .1,т. е. это СUн леТНblе (одиночные) состояния. Однако
у мноrих молекул с четным числом электронов состояния с наи
Низшей энерrией имеют два неспаренных электрона, занимаю
щих разные орбитали; примером является молекулярный Кисло
роlJ., ОСновное состояние KOToporo трuплетное.
Тот факт, что электрон, возt5уж<денный на верхнюю орбиталь,
может иметь два различных направле ия спина, означает, что
в результате,.каждоrо .из лб уждавшихся :.вlill.IJе переходов ПО.l!у
"
. 2
s
2
HHтepKo.м
бинациОННQЯ
---
IWнверсия
(6)
s,
..
"
:t
t
t т.
1
R
slпJ
о
Рис. 12. Уровни энерrии триплетных
и С;.JнrлетНЫХ состояний и Интеркомби-
национная конверсия.
44
r ЛАВА 1
ОСНОВНЫЕ ПРИНЦИЛЫ И ОПРЕДЕJIEНИ$t
45
пере ходов, например л* п переходов, оно редко превосходит
10 6 с; для u перехода же с caMoro нижнеrо триплетноrо уровня
на основнои оно редко окаЗЫвается меньше 10 4 с, а для мноrих
молекул может быть значительно больше 1 с. Долrоживущую
люминесценцию, испускаемую при излучательном переходе из
трипле ноrо состояния в ОСНОВНое, мы будем наЗЬJвать фосфорес
цеfщиеи в ОТЛичие от флуоресценции перехода из caMoro ниж
Hero возбужденноrо синrлетноrо состояния в основное. Обладая
исключительно большим излучательным временем жизни, три
плетные молекулы MorYT леrко терять свою энерrию в различных
безызлучательных процессах. В жидких растворах, например,
они очень восприимчивы к столкновениям с окружающими моле-
кулами. Молекулы в триплетном состоянии особенно эффективно
дезактивируются растворенными молекулами снеспаренными
электронами, например молекулами кислорода, и такие ве..цества
MorYT окаЗывать заметное действие даже при чрезвычайно низ
ких концентрациях. По этой причине фосфоресценция в жидких
растворах при комнатной температуре до последнеrо времени
наблюдалась лишь в очень редких случаях. Скорость безызлу
чательных процессов можно сильно понизить, если распредет1ТЬ
вещество в жесткой среде и (или) Понизить температуру pac
ТВора. В этих УСловиях мноrие вещества обладают интенсивной
фосфоресценцией.
Полоса триплет синrлетноrо поrлощения очень слаба. Поэто
му экспериментально трудно заселить Триплетный уровень путем
поrлощения света в полосе триплет синrлетноrо перехода. OДHa
ко для мноrих веществ Имеется rораздо более эффективный Me
тод заселения триплетноrо уровня путем интеркомбинационноц
конверсии через синrлет.
тельных уровней низшеrо триплета (процесс а на рис. 12) и
представляет собой интеркомбинационную ко версию. Затем MO
лекула быстро теряет избыток колебательнои энерrии и оказы
вается вблизи caMoro нижнеrо колебательноrо уровня трипле::-
Horo состояния. Этот процесс можно иллюстрировать схемои,
подобной рис. 3 и показанной на рис. 13, rде опущены колеба
тельные уровни, но добавлена потенциальная КРИl:Jая caMoro
нижнеrо триплетноrо состояния Х
(TV). Ее минимум расположен
несколько ниже минимума КрИ
вой синrлетноrо возбужденноrо
состояния. Кривые потенциаль
ной энерrии триплетноrо и возбу: м
жденноrо синr летноrо состоянии i1; N
пересекаются внекоторой точ- 0\
ке О. Заметим, что рис. 13, как и
рис. 3, относится, cTporo rОБОрЯ,
к случаю двухатомной молеку [
лы, а мноrоатомной молекуле Е
должна соответствовать миorо-
мерная поверхность. Это разли- Е
чие, однако, ие носит принци'
пиальноrо характера, за исключе- МежатОМНQе paccтosтue
нием TOrO, что потенциальные по
верхности будут пересекаться не Рис. 13. ИнтеРКQмбинационная
В одной, а БО мноrих точках. конверсия.
Итак, пользуясь схемой рис. 13,
заселение триплетноrо состояния можно представить в виде опре-
деленной последовательности процессов. Поrлощение света пере
водит молекулу из OCHoBHoro состояния на один из верхних коле-
бательных уровней возбужденноrо синr летноrо состояния (вер-
тикальная линия ЕР). За время пребывания в этом состоянии
молекула быстро теряет избыток колеба.тельной энерrии, и изо
бражающая точка, двиrаясь вдоль кривои ХУ, достиrает точки О.
в этой точке положение и импульсы атомных ядер одни и те же
как для возбужденноrо синrлетноrо, так и для НИЖНЕ:rо триплет
Horo состояния, и Ii этой точке молекула может переити на соот-
ветствующий колебатеЛЬНЫ\1 уровень триплетноrо состояния.
По-видимому, для мноrих сложных молекул всеrда существует
по крайней мере O Ha точка перехода вблизи caMoro нижнеrо
колебательноrо уровня возбужденноrо синrлета, поскольку уста-
новлено, что вероятность заселения триплетноrо состояния не
зависит от длины волны возбуждающеrо света, т. е. от Toro, по-
падает ли молекула при поrлощении света сразу на уровень
вблизи точки О или же она попадает на один из более высоких
колебательных уровней (переход, подобный переходу ЕР).
2. Интеркомбинационная конверсия
В отСутствие конкурирующ х фо охимических реакций един
ственным результатом поrлощательноrо перехода молекулы в
любое из верхних возбужденных синrлетных состояний является
(см. рис. 1) накопление молекул вблизи нижнеrо колебательноrо
уровня первоrо электронно-возбужденноrо синrлетноrо состоя
ния. Если это л* состояние, то константа скорости k j испускания
флуоресценции составляет 108 109 c 1 . Такой же порядок
имеют константы скорости некоторых Процессов, конкурирую-
щих с испусканием флуоресценции. Один из этих Процессов
интерк мбинационная конверсия (см. рис. 12). Нижний КОлеба-
тельныи уровень нижнеrо триплетноrо состояния расположен не-
сколько ниже нижнеrо уровня первоrо электронно-возбужден_
Horo синrлетноrо состояния, некоторые же из более высоких на
одном уровне с ним. Переход на один из этих высоких колеба
46
r ЛАВА I
ОСНОВНЫЕ ПРИНЦИПЫ и ОПРЕДЕЛЕНИЯ
47
Вместе с тем показано, что у некоторых молекул потенциальные
кривые пересекаются при более вЫсоких колебательных KBaHTO
вых числах (например, в точке О' пунктирной кривой рис. 13),
и для этих молекул уменьшение длины волны возбуждающеrо
света приводит к увеличению эффективности фосфоресценции
[18, 19]. Для ряда друrих молекул интеркомбинационная конвер-
сия осуществляется путем термической активации из нижнеrо в
верхние колебательные уровни состОяния 51 [20]. Наконец, для
некоторых соединений были получены экспериментальные указа-
ния на интеркомбинационную конверсию из верхних синrлетных
состояНий (рис. 12, процесс Ь) [21, 22], хотя друrие авторы [20]
сомневаются в существовании процессов этоrо типа. .
Константа скорости интеркомбинационной конверсии из ниж
Hero электронно-возбужденноrо синrлетноrо состояния в триплет-
ное состояние один из важнейших фотохимических парамет
ров. На первый взrляд может показаться, что столь же леrко
осуществляется и друrой, аналоrичный процесс интеркомбина-
ционная конверсия с нижнеrо колебательноrо уровня триплет-
Horo состояния на верхний колебательный уровень OCHoBHoro
Состояния (процесс с на рис. 12). В действительности же этот
процесс обычно в 106 109 раз медленнее, чем интеркомбинацион-
ная конверсия из возбужденноrо синrлета в триплет. Эта o(:o
бенность, весьма заrадочная на первый взrляд, чрезвычайно
блаrоприятное обстоятельство, ибо в противном случае, т. е. при
близких скоростях двух упомянутых Процессов, было бы Очень
трудно наблюдать долrоживущую фотuлюминесценцию. Оче-
видно, что если бы безызлучательный Т] 50-переход Иl'4ел KOH
станту скорости 108 с], молекула не располаrала бы временем,
достаточным для осуществления запрещенноrо по спину про-
цесса Т ! 50-фосфоресценции. С друrой стороны, если бы
5] Т]-конверсия была столь же медленной, что и Т] 50-KOH
версия, то она не моrла бы эффективно конкурировать с флуорес
ценцией и заселением триплета при поrлощении света нельзя
было бы пренебречь только при очень высоких ИН енсивностях
света. Фосфоресценция была бы очень редким явлением, а фото
химические превращения происходили бы совсем иначе.
Различие скоростей двух упомянутых процессов интеркомби
национноЙ конверсии можно качественно объяснить иСходя из
вероятности пересечения поверхностей потенциальной энерrии
трех состояний (см. рис. 13). Потенциальная поверхность Т]
ближе к поверхности 5], чем к поверхности 50. Следовательно,
можно ожидать, что она пересекает поверхность 5] во мноrих
точках и что поэтому вероятность 5] Т]-конверсии высока. На-
против, разность энерrий триплетноrо и OCHoBHoro состояний
сравнительно велика, поэтому пересечение потенциальных по-
верхностей и, следовательно, интеркомбинационная Конверсия
менее вероятны. Определенную роль MorYT иrрать и запреты по
симметрии. Но даже с этой точки зрения отношение скоростей
порядка 106 109 кажется удивительно большим, особенно для
таких молекул, как антрацен, у KOToporo энерrетическое Т ! 50
расщепление немноrим больше, чем 5] Т]-расщепление. Воз
можно, что в этих молекулах имеет место интеркомбинационная
конверсия из состояния 51 В более высокое триплетное состояние,
например Т 2 . Такие переходы были пОСтулированы Лимом и
сотр. [20], которые, ОПИDаясь на более ранние работы Боуэна и
сотр. [23, 24], измерили зависимость от температуры эффектив
ности флуоресценции и относительной эффективности образова
ния триплетов для некоторых 9- и 9,10-замещенных антрацена.
Они обнаружили, что при понижении температуры эффектив
ность флуоресценции растет, а выход триплетов падает, причем
энерrия активации оказалась для обоих процессов одной и той
же, а выход триплетов при 77 К очень малым. Эти результаты
авторы объяснили интеркомбинационной конверсией из состоя
ния 51 В более высокое триплетное состояние; при этом энерrия
активации соответствует разности энеryrий этих состояний или
же обусловливается различиями в относительном расположении
их потенциальных поверхностей.
Третий тип интеркомбинационной конверсии, иrрающий важ-
ную роль в явлении замедленной флуоресценции, представляет
собой обращение 51 Т]-конверсии (процесса а на рис. 12). Он
может осуществляться в молекулах, у которых триплет располо
жен настолько близко к верхнему синrлету, что уже при комнат-
ноЙ температуре за счет термической активации ощутимо засе
ляются те колебатеJ!ьные уровни триплета, которые имеют
энерrию, равную энерrии нижнеrо колебательноrо уровня эле к-
тронно-возбужденноrо синrлетноrо состояния. Это и обеспечи-
вает возможность перехода в возбужденное синrлетное состоя-
ние, ИЛИ обратной интеркомбинационной конверсии. Для три-
плетных молекул, термически активированных указанным путем,
вероятность интеркомбинационной конверсии 51 *"' T j , по-види
мому, имеет тот же порядок величины, что и для процесса а, т. е.
константа скорости составляет примерно 1 08 C l.
3. Определение фосфоресценции и замедленной
флуоресценции
Излучательным переходам 5] 50 и Т. 50 соответствуют
характерные спектры ИСПускания, по которым можно идентифи
цировать возбужденные состояния и которые можно ПОЛожить
в основу классификации люминесценции, не рассматривая
при этом, каким путем заселяется данное электронно-возбуж-
денное состояние. Все виды люминесценции, возникающей при
48
rЛАВА 1
ОСНОВНЫЕ ПРИНЦИПЫ И ОПРЕДЕЛЕНИя
49
51 5 0 -переходе, мы назовем флуоресценцией, а все виды лю-
минесценции при ТI 5 0 -переходе фосфоресценцией. Состоя-
ние 51 можно заселить несколькими путями, и ИМ будут COOT
ветствовать разные типы флуоресценции. Простейший из них
уже обсуждался в разделе Б: молекулы поrлощают свет и пере-
ходят из OCHoBHoro СОстояния в СОСТОяние 51, остаются в этом
сОстоянии в среднем в течение времени, paBHoro времени жизни
этоrо состояния (примерно 1 O 8 с), а затем возвращаются
I
Типичная картина спектров поrлощения, быстрой флуоресцен-
ции, замедленной флуоресценции и фосфоресценции показана на
рис. 14. Спектры быстроЙ и замедленной флуоресценции обычно
примыкают к длинноволновому краю первой полосы поrлощения
и часто являются ее зеркальным отражением. Фосфоресценция
(и рекомбинационная фосфоресценция) появляется при ббльших
длинах волн, так как триплетный уровень расположен ниже пер-
Boro возбужденноrо синr лета (см. рис. 12).
В последние rоды высказывались довольно противоречивые
представления о различных типах замедленной флуоресценции;
в этом вопросе и сейчас еще имеется ряд неясностей. В следую-
щих разделах мы дадим исторический очерк развития исследова
ний замедленной флуоресценции и фосфоресценции, а в rл. II
подробно рассмотрим кинетику этих процессов.
4. Замедленная флуорес енция типа Е
Давно известно, что в твердых растворах некоторых орrани-
ческих веществ после облучения ультрафиолетовым светом на-
блюдается долrоживущее испускание, или «послесвечение». В
1929 r. Перрен [25] предположил, что возбужденные молекулы
способны переходить на низлежащий метастабильный уровень,
спонтанное испускание из KOToporo невозможно, а затем за счет
термической активации возвращаться на флуоресцентный ypo
вень и в конце концов испускать флуоресценцию. Испускание
этой флуоресценции должно быть «замеДЛенным», так как перед
этим молекула побывала в метастабильном состоянии.
В 1933 r. Яблонский [26] расширил схему Перрена, включив
в- нее возможность излучательноrо перехода из метастабильноrо
состояния в основное состояние, происходящеrо с низкой вероят-
ностью (т. е. фосфоресценции; ср. определение, данное выше
в разделе 3). Таким образом он объяснил существование двух
полос долrоживущеrо испускания, одна из которых появляется
при высоких температурах и имеет спектр, подобныЙ спектру
флуоресценции (<<фосфоресценция при комнатной температуре»),
а друrая возникает при низких температурах и имеет спектр,
сдвинутый в красную сторону (<<фосфоресценция при низких TeM
пературах» ). Яблонский пришел к выводу о том, что должен
иметь место и прямой безызлучательный переход из MeTaCTa
бильноrо состояния в основное, и отметил, что в спектре поrло-
щения должна присутствовать слабая полоса, отвечающая пря-
мому излучательному переходу из OCHoBHoro в метастабильное
состояние. Работы Яблонскоrо [26, 27] стимулировали дальней
шие исследования, а ero схема лежит в основе более подробноЙ
диаrраммы уровней энерrии (рис. 12).
В 1936 r. Лёвшин и Винокуров [28] показали, что обе полосЫ
испускания флуоресцеина в борнокислотн:ом стекле затухают ПрfJ
.о
!:
о
:!:
Ф
::s
...,
:::
ц>
Е:
ВО.lfНОбое циСАО
Рис. 14. Относительное расположение спектров поrлощения, Флуоресценции
и фосфор сценции.
Интенсивность замедленной флуоресценции редко превышает несколько процентов от
интенсивности быстрой флуоресценции.
в основное состояние Путем излучательноrо 51 --+ 5 0 -перехода.
Такое испускание мы назовем быстрой флуоресценцией. НО су-
ществуют процессы, Коrда молекула попадает в возбужденный
синrлет через триплетное состояние. Эти процессы также при
водят к 51 --+ 50-испусканию, однако с временем Жизни rораздо
больше времени жизни состояния 51, И мы назовем ero заМед-
ленной флуоресценцией. Механизм перехода из СОСтояния ТI В
состояние 51 может быть различным, и в зависимости от Этоrо
в дальнейшем мы дадим определения замедленной флуоресцен
ции «типа Е» и «типа Р». Наконец, существуют и друrие разно
видности испускания, коrда большое время жизни не связано
непосредственно с большим временем жизни триплетноrо СОстоя
ния. Так, рекомбинационная замедленная флуоресценция и ре-
комбинационная фосфоресценция наблюдаются в тех случаях
коrда облучение тВердых растворов при водит прямо или кос:
венно к раЗЛожению молекулы на осколки, при медленной peKOM
бинации которых получаются молекулы в возбужденном сиJi-
rлетном или триплетном состоянии, .
50
r ЛАВА 1
ОСНОВНЫЕ ПРИНЦИПЫ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ
51
комнатной температуре с одинаковой скоростью, и это было
прямым экспериментальным доказательством Toro, что переходы
происходят из одноrо и Toro же метастабильноrо состояния дву-
мя путями, дающими различные типы испускания. Люминесцен
ция флуоресцеина в борной КИслоте более подробно была
изучена Льюисом и сотр. [29]. Для испускания, называемоrо НflМИ
замедленной флуоресценцией типа Е, они ввели обозначение
«альфа-фосфоресценция», а для испускания, называемоrо теперь
фосфоресценцией, обозначение «бета-фосфоресценция». Кроме
Torп, они измерили спектр поrлощения метастабильноrо состоя-
ния. Они обнаружили, что затухание обоих типов испускания
следует экспоненциальному закону, и, введя ряд допущений,
рассчитали зависимость КОнстанты скорости затухания альфа
фосфоресценции от температуры. Полученная из этой зависимо
сти энерrия активации оказалась равной разности энерrий,
рассчитанной по разности частот полос испускания, и, следова
тельно, l\IОЖно было сделать вывод, что альфа-испускание дей-
ствительно протекает путем термической активации метаста-
бильных молекул. (Как мы увидим далее, скорость термической
активации можно определить точно и не вводя никаких допуще-
ний, если измерить зависимость от температуры отношения иН-
тенсивностей полос испускания.) В дальнейшем Льюис и Каша
[30] отождествили метастабильное состояние с триплетным со-
стоянием, и этот вывод был MHoroKpaTHo подтвержден в после
дующих работах.
В жидких растворах скорость излучательноrо Т ! Sо-пере
хода rораздо меньше скоростей интеркомбинационной конверсии
и (или) тушения триплетноrо состояния примесями. Поэтому
эффективность фосфоресценции в жидких растворах мала, и до
последнеrо времени ее наблюдали чрезвычайно редко. Первые
количественные измерения провела в 1930 r. Будэн [31]. При по'
мощи визуальноrо фосфороскопа она наблюдала при комнатной
температуре долrоживущую фотолюминесценцию эозина в rли
церине, время жизни которой составляло 1,1 мс, а интенсивность
была в 400 раз ниже интенсивности быстрой флуоресценции. He
сколько лет спустя Каутский [32] сообщил о долrоживущем
испускании ряда красителей в растворах, освобожденных от кис-
лорода. В последующие rоды этому вопросу уделяли мало вни
мания. Положение изменилось после Toro, как была развита Me
тодика импульсноrо фотолиза. Применив ее, Бекстрём и Сандрос
[33] исследовали тушение триплетноrо состояния диацетила
вещества, уже давно известноrо своей способностью фосфоресци
ровать.
Вопрос о долrожиrзущей люминесценции в жидких растворах
был вновь поднят Паркером и Хатчардом [19]. Применив высоко-
'Чувствительный спектрофосфориметр, сти измерили спектр дол-
rоживущеrо испускания эозина в rлицерине и в этанол.,е, освобо-
жденных от кислорода, и обнаружили полосу в видим и области,
по спектральному распределению идентичную быстрои флуорес:
ценции и, без всякоrо сомнения, соответствующую долrоживущеи
люминесценции, наблюдавшейся Будэн [31], а также друrую по-
лосу, раСПО{lоженную в крайней красной области спектра. Коли-
чественные выводы из этой работы подробно рассматриваются
в r л. II, здесь же мы только отметим, что она не оставила ни
каких сомнений в том, что замедленная флуоресценция в види-
мой области возникает за счет термической активации триплет
ных молекул, т. е. в результате последовательности
Т Термическая активация S Излучательный пер еход S
1 + 1 О'
(33)
а испускание в красной области в результате прямоrо излуча
тельноrо Т 1 Sо перехода (т. е. по нашей терминолоrии фос
форесцf'НЦИИ). Таким образом, полосы оказа.rIИСЬ полностью ана'
лоrичными полосам, которые обсуждал Яблонский [26, 27], и
«альфа и бета-фосфоресценции» флуоресцеина в твердом pac
творе, которую наблюдали Льюис и сотр. [29]. Поскольку эта
разновидность замедленной флуоресценции впервые наблюда-
лась у эозина (Будэн), Паркер и Хатчард предложили [34] на-
звать ее замедленной флуоресценцией типа эозина, или типа Е.
Испускание этоrо типа было обнаружено также в жидких рас-
творах ряда друrих красителей [35, 36]. Оно олжно существо-
вать у всех тех флуоресцирующих соединении, которые имеют
значительную эффективность образования триплетов и неболь-.
шую разность энерrий триплетноrо и первоrо возбужденноrо син
rлетноrо состояний.
5. Замедленная флуоресценция типа Р
Интерпретацию ранних наблюдений замедленной флуорес
цепции типа Р затрудняли два обстоятельства: во-первых, не-
достаточная чистота образцов в некоторых опытах, во-вторых,
то, что -большое время жизни этоrо вида испускания ошибочно
объясняли образованием долrоживущих возбужденных димеров.
В 1950 r. Дикун [37] сообщил о двух компонентах фотолю-
минесценции паров фенантрена, одна из которых имела время
жизни, характерное для быстрой флуоресценции, а друrая ro-
раздо большее (около 10 3 с). В 1958 r. Уильямс [38] наблюдал
долrоживущее испускание паров антрацена, перилена, пирена и
фенантрена. Отношение интенсивностей долrоживущеrо и пол
Hdro испускания возрастало с увеличением давления паров фе
нантрена, и Уильямс предположил, что долrОживущее испу-
скание всех четырех соединений обусловлено долrоживущими,
52
rЛАВА 1
ОСНОВНЫЕ ПРИНЦИПЫ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ
53
возбужденными димерами продуктами соединения синrлет
возбужденной молекулы с молекулой в основном состоянии:
lA*+lA.....-?lА;. (34)
По Уильямсу, термическая диссоциация возбужденноrо димера
приводит к реrенерации синrлет-возбужденноrо мономера, а ero
испускание к замедленной флуоресценции. Действительно,
с пектры долrоживущеrо испускания антрацена и перилена ока-
зались идентичными спектрам их быстрой флуоресценции, одна-
ко в работе Уильямса не был приведен спектр долrоживущеrо
испускания использованноrо им фенантрена. Работа Дикуна бы-
ла повторена Стивенсом, Хаттоном и Портером [39], которые об-
наружили, что спектр долrоживущей люминесценции паров фе-
нантрена тождествен спектру флуоресценции антрацена. Они
предположили, что образец фенантрена содержит следы антра-
цена и что за Iедленная флуоресценция последнеrо возбуждается
при ero столкновении с «долrоживущим возбужденным димером»
фенантрена, постулированным Уильямсом. .
За несколько лет до этоrо Фёрстер и Каспер [40] показали
в своей знаменитой работе по быстрой флуоресценции концен-
трированных растворов пирена, что синr лет-возбужденный пирен
действительно реаrирует с невозбужденной молекулой пирена и
при этом получается возбужденный димер, излучательный пере
ход в котором ответствен за широкую бесструктурную полосу,
расположенную с длинноволновой cropoHbI от полосы испуска,
ния мономера (эта работа подробно обсуждается в rл. IV). Они
не измерили время жизни возбужденноrо Димера, но в 1960 r.
Стивенс и Хаттон [41] показали, что в концентрированных рас-
творах пирена спектр ДОJJrоживущеrо испускания идентичен по-
лученному Фёрстером и Каспером спектру испускания возбуж-
денноrо димера. Долrоживущеrо испускания мономера они не
обнаРУЖИJ1И, хотя позднее Паркер и Хатчард [34] зареrистриро-
вали и ero. Стивенс и Хаттон предположили, что велико время
жизни caMoro димера, т. е. они приняли механизм УИЛьямса.'
Такие «долrоживущие» возбужденные димеры они предложили
называть «эксимерами», а впоследствии объяснили «сенсибили-
зацией возбужденными димерами» явление сенсибилизированной
замедленной флуоресценции в смесях паров друrих соединений
[39, 42].
На этой стадии казалось, что существование долrоживущих
возбужденных димеров (<<эксимеров» ) доказано достаточно стро-
ro. Однако в 1961 r. Паркер и Хатчард [43] показали, что время
жизни большей части испускания димеров в растворах пирена
короче 5. 1 O 5 с, а последующие прямые флуорометрические из-
мерения Биркса и Мунро [44] дали значение 4.10 8 с. Стало He
понятно, как механизм Уильямса может объяснить большое
время жизни испускания, исследованноrо Стивенсом и Хаттоном.
fJешение проблемы дали Паркер и Хатчард в работах, посвящен
ных люминесценции антрацена, фенантрена [45, 46] и пирена (34].
Они установили, что интенсивность замедленной флуоресценции
пропорциональна квадрату скорости поr лощения возбуждаю-
щеrо света, и покаЗ2ЛИ, что замедленная флуоресценция возни-
кает за счет переноса энерrии между триплетными молекулами,
в результате KOTOporO одна из молекул попадает в возбужденное
синrлетное состояние; последующее испускание и представляет
собой замедленную флуоресценцию, скорость затухания которой
оказывается равной удвоенной скорости исчезновения триплетов
(см. rл. II). Механизм Паркера Хатчарда кратко можно пред
ставить в следующем виде:
ЗА + ЗА СА;) lA* + lА. (35)
(Показан промежуточный синrлет-возбужденныЙ димер, но про
цесс может идти, минуя стадию образования димера.) В случае
растворов пирена наличие промежуточной стадии образования
димера lA z можно было установить по полосе ero испускания,
появ.тlяющейся в спектре долrоживущей люминесценции pa86aB
ленных растворов наряду с полосой испускания lA*. Паркер и
Хатчард предположили, что механизм триплет-триплетноrо вза
имодействия Mor бы объяснить экспериментальные даННЫе по
люм';несценции паров ароматических уrлеводородов, полученные
Уильямсом (38] и Стивенсом и сотр. [39, 42]; впоследствии Сти-
венс, Уокер и Хаттон [47] подтвердили это предположение. Таким
образом, для объяснения любоrо из наблюдавшихся явлений
(как в жидкой, так и в rазовой фазе) оказалось совсем ненуж-
ным постулировать дОЛ20живущие возбужденные димеры (<<экси-
меры» ). Тем не менее мноrие исследователи приняли термин
«эксимер» для обозначения короткоживущих возбужденных ди-
меров, подобных обtlаруженным Фёрстером и Каспером.
Поскольку механизм замедленной флуоресценции этоrо типа
был установлен сначала для растворов П,ирена, то Паркер и XaT
ча рд [34] предложили назвать ее 8амедленной флуоресценцией
типа Р в отличие от замедленной флуоресценции типа Е, обсуж
давшейся в предыдущем разделе, Кинетику процесса типа Р мы
обсудим в rл. 1I, а вопросы образования возбужденных димеров
в rл. IV.
6. Рекомбинационная фотолюминесценция
Льюис и Липкин [48] показали, что в жестких средах MorYT
протекать три типа первичных фотохимических реакций;
Фотодиссоциация, например
РhзС СРhз + 2Рh з С. . (36)
r ЛАВА 1
ОСНОВНЫЕ ПРИНЦИПЫ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ
55
54
Фотоокисление, например
Ph 2 NH Ph 2 N+H + е.
(37)
орrанических соединений и идентифицировали в спектрах поrло
щения как полосы сольватированных электронов, так и полосы
радикалов или ион радикалов. Рекомбинация при температуре
жидкоrо азота была очень медленной, но при наrревании облу
ченноrо раствора происходило испускание люминесценции и
ослабление полос поrлощения и радикалов и сольватированных
электронов. Эти результаты доказали, что люминесценция дей
ствительно обусловлена рекомбинацией ионов и электронов
[уравнения (42) и (43)]. Спектр люминесценции оказался иден-
тичным спектру фосфоресценции (т. е. испускание было peKOM
бинационной фосфоресценцией), переходов типа S 1 So обнару
жено не было, но причиной этоrо нельзя считать большую
скорость интеркомбинационной конверсии, поскольку при фото-
возбуждении возникала интенсивная быстрая флуоресценция.
Подобные же результаlЫ получили Альбрехт и сотр. [Бl 53],
которые облучали инфракрасным светом фотоионизированный
твердый раствор тетраметил п фенилендиамина и зареrистриро
вали при этом как рекомбинационную фосфоресценцию, так и
рекомбинацvонную замедленную флуоресценцию. Отношение ин
тенсивностей этих видов испускания оказалось значительно боль-
ше отношения инт.енсивностей обычной фосфоресценции и бы-
строй флуоресценции Toro же caMoro образца, что указывало на
прямое заселение триплетноrо состояния в рекомбинационном
процессе, а именно
A++e 3A. (44)
Альтернативный процесс, т. е. заселение электронно возбужден
Horo синrлетноrо состояния
A++e lA', (45)
был постулирован Лимом и сотр. [54 56], которые облучали
при 77 К растворы акрифлавина и родственнЫх красителей в
эфир пентан этанольном стекле и о.бнаружили замедленную флу
оресценцию, продолжавшуюся несколько секунд. Кроме Toro,
они зареrистрировали по поrлощению промежуточное вещество,
идентифицированное как положительный ион радикал продукт
фотоионизации. За исключением ранней стадии, замедленная,
флуоресценция затухала э споненциально со скоростью, равной
скорости исчезновения ион радикалов. Интеrральная интенсив-
ность замедленной флуоресценции и начальная концентрация
ион радикалов оказались пропорциональными интенсивности
возбуждающеrо света, и авторы сделали ВЫВОД об однофотонном
'механизме возбуждения. Эффективность замедленной флуорес-
ценции увеличивалась при уменьшении длины волны возбуж.
дающеrосвета. Эти результаты были интерпретированы в paM
'ках модели, подобной предложенной Альбрехтом и сотр. для
iТ(юминесuеншнr тетрамеr.ил-п-фенилендиаминц, х.отя .позднее
Ф(')Тоионизация, например
Ph 2 N+H...J!::.+ Ph 2 N. + Н+. (38)
Льюис и Каша [30] предложили два механизма этих peaK
ций: превращение может осуществляться либо в результате
поr лощения фотона молекулой в основном состоянии
ЧАВ) А + В, (39)
:либо в результате поrлощения фотона триплетной молекулой
l(АВ) ЧАВ)' 3(АВ) J:!:::.!..+ А + В. (40)
1в жесткой среде при низкой температуре можно накопить зна.
'чительные концентрации триплетных молекул, и поrлощение ими
'фотонов является достаточно вероятным процессом. В брутто
,реакции [40] последовательно поrлощаются два отдельных фо-
.,тона и при малых интенсивностях возбуждающеrо света скорость
aKoro двухфоrонноео процесса пропорциональна квадрату ин
тенсивности.
Одними из первых исследователей рекомбинационноrо испу-
а:кания были Дебай и Эдвардс [49]. Они облучали при 77 К TBep
дые растворы леrко окисляющихся веществ (фенол, толуидин)
iИ зареrистрировали испускание с чрезвычайно высоким временем
жизни (более 100 с). Ero затухание было неэкспоненциальным,
iИ аВТОРЫ"предположили, что имеет место последовательность ря
да стадии: фотоионизация [по терминолоrии Льюиса и Липки
на фо:оокисление, см. уравнение (37)], диффузия захваченных
матрицеи электронов к ионизованным молекулам и их рекомби-
нация, в результате которой получается возбужденное состояние:
A А+ + е, (41)
А+ + e > А воэб , (42)
А воэб А + hv'. (43)
Линшиц, Берри и Швейцер [50] исследовали спектры поr ло-
щения при низкой температуре стеклообразных растворов лития
в аминах. Они обнаружили интенсивный пик при 600 нм, а та-кже
более слабое поrлощение, простирающееся в инфракрасную об-
лаСТI:. При освещении полоса 600 нм ослаблялась, а длинновол-
,новыи фон усиливался. Поrлощение в области 600 нм авторы
:приписали сильно сольватированным электронам, а длинновол-
IHoBoe поrлощение слабо соль.ватированным электронам. За-
'тем они облучили стеклообразные растворы леrко Окисляемых
56
r ЛАВА 1
основнЫЕ ПРИНЦИПЫ И ОПРЕДЕЛЕНИ$!
57
lР -,»-lр' зр,
(46)
(47)
тричеСКОI'О поля. В «естественном», т. е. неполяризованном, свете
колебания происходят во всех направлениях, перпендику,тIЯРНЫХ
направлению распростrанения. Если пучок неполяризованноrо
света пропустить через поляри-
затор (например,' кристалл
турмалина или призму Нико
ля, см. раздел III, Р, 1), то BЫ
ходящий пучок станет плоско
поляризованным, или прямоли
нейно поляризованным, ко- а 6 в
лебания электрическоrо BeKTO Рис. 15. Направления электриче-
ра будут происходить только cKoro вектора в поляризованном и
В одной плоскости *. Рис. 15 неполяризованном свете.
иллюстрирует разницу межд . у в неполяризованном (а) нли частично по-
ляризованном (в) свете колебания пронсхо-_
естественным и прямолинеи дят под всемн уrлами перпеидикулярно
Н О поля р изованным светом. направлению распространения; в поляризо-
ванном свете (6) они оrраничены одннм
На рис. 16 схематично по уrлом.
казан процесс поrлощения по . .
ляризованноrо света молекулои. Электрическии вектор застав
ляет электроны молекулы колебаться, и если частота света имеет
соответствующее значение [уравнение (7)], то электрон возбуж-
дается в состояние с более высокой энерrией, орбиталь KOToporo
* р
*
Альбрехт и Кадоrан [57] заново рассмотрели свои результаты
уже исходя из двухфотонноrо механизма.
Влияние длины волны возбуждающеrо света на замедленную
флуоресценцию обнаружили также Стивенс и Уокер [58], иссле-
довавшие при 77 К перилен в ЖИДком парафине. В их опытах
спектр возбуждения замедленной флуоресценции приблизитель-
но совпадал со спектром триплет триплетноrо поrлощения пери
лена, и они приняли двухфотонный механизм, включающий
фотоионизацию триплетноrо состояния и рекомбинацию, в pe
зультате которой заселяются и триплетное и возбужденное син
r летное состоян,ия:
зр -,»- р+ + е,
Ip'
р+ + е I -'»-
-,»-зр
Впоследствии были высказаны сомнения [59] в правильности этой
интерпретации Из за возможноrо влияния фосфоресценции кювет
или примесей в растворе (см. раздел III, Н, 8).
Портер и сотр. [60, 61] исследовали двухфотонные фотохими-
ческие процессы, индуцированные поr лощением света триплет-
ными состояниями в твердых средах при 77 к.. Для растворов
ароматических соединений в алифатических уrлеводородах они
установили два типа процессов: а) ионизация pacTBopeHHoro
вещества; б) сенсибилизированная ДИссоциация растворителя
на атомы водорода и свободные радикалы и отрыв последними
атомов водорода от растворителя или paCTBopeHHoro вещества,
в результате чеrо получаются радикалы pacTBopeHHoro вещества.
Под действием инфракрасноrо света или при слабом наrревании
наблюдались флуоресценция и фосфоресценция, возникавшие в
результате рекомбинации Ионов и электронов. Отношение интен
сивностей фосфоресценции и флуоресценции было выше, чем при
()бычном оптическом возбуждении, и в этом отноШении резуль-
таты были идентичны результатам Альбрехта и сотр. [57], впо
следствии пересмотренным с точки зрения двухфотонноrо Mexa
НИЗма.
(48)
WlJ 8
ОснOtтое Воз6У.}IC{}еlfное
состояние COcmO.1llfue
Рис. 16. Поrлощение плоско поляризованноrо света.
r. ПОЛЯРИЗАЦИЯ ФОТОJIЮМИНЕСЦЕНЦИИ
имеет узловую плоскость, перпендикулярную направлению инду-
цированно rо колебания. Если молекула ориентирована так, что
* По определению (см., например, Ландсберз Т. с., Оптика, [ос. изkв
технико-теорет. лит., М., 1947 и последующие издания) плоскость, в. которои
расположен электрический вектор, называют плоскостью колебании Прямо-
линейно поляризованноrо СВета, а плоскостью поляризации плоскость, в
К010рОЙ расположен маrнитный ВеКТОр. Следовательно, плоскость поляриза-
ции nерnендикулярна направлению колебаний электрическоrо вектора. В ори-
rиаале КНI1fИ эта терминолоrия не выдерживается. При переводе книrи пере,
водчики и редактор старались избеrать выражения «плоскость поляризации»,
которое автор понимает как плоскость колебаний электрическоrо вектора.
Вопросы поляризации люминесценции подробно рассмотрены в следующих
моноrрафиях: Феофилов П. П., Поляризованная люминесценция атомов, мо-
лекул и кристаллов, Изд-во АН СССР, М., 1959; rуриl-iович Т. П., Севчен
ко А. Н., Соловьев К. Н., Спектроскопия хлорофилла и родственных соеДине
ний, «Наука И техника», Минск, 1968. Прим. ред.
1. Поляризованный свет
Колебания электрическоrо и маrнитноrо полей, образующих
световую волну, происходят перпендикулярно друr друrу и на-
правлению распространения волны. В дальнейшем при pac
мотрении поляризации мы будем следить за направлением ЭЛСК
58
rЛАВА 1
ОСНОВНЫЕ ПРИНЦИПЫ и ОПРЕДЕЛЕНИЯ
59
ее пер сходный момент перпендикулярен электрическому вектору
(т. е. расположен не в плоскости рис. 16, а перпендикулярно ей),
то вероятность поrлощения равна нулю. При промежуточных
уrлах вероятность поrлощения отличается от нуля, но всеrда
меньше, чем при ориентации, показанной на рис. 16. Нетрудно
найти вид зависимости вероятности поrлощения от ориентации
молекулы, которую можно характеризовать уrлом 8 между осью
молекулы и направлением электрическоrо вектора. Амплитуду
последнеrо (А на рис. 15 и 16) можно разложить на две взаимно
перпендикулярные составляющие по оси молекулы и перпен-
дикулярно ей. Torдa действующая амплитуда окажется равной
А cos 8, а интенсивность, пропорциональная квадрату а мплиту
ды, А2 cos 2 8. Следовательно, вероятность поrлощения при
данной ориентации 8 пропорциональна cos 2 8, и если пучок He
поляризованноrо света проходит через достаточно толстЫй слой
одинаково ориентированных молекул (как, например, в кри
сталле турмалина), то составляющие всех векторов, параллель-
ные оси перехода, поrлотятся, а перпендикулярные составляю-
щие будут Пропущены и, сложившись, дадут пучок прямоли
нейно поляризованноrо света.
2. Степень поляризации
Если пластинка из кристалла турмалина достаточно тонкая,
то составляющая, параллельная оси перехода, поrлотится не
полностью и вышедший свет будет частично поляризован (см.
рис. .15, в). Частично поляризованный свет можно получить мно-
rими способами. Один из них отражение от поверхности
стекла, поэтому свет, выходящий из оптических приборов, на-
пример монохроматора, обычно частично поляризован. Степень
поляризации, или просто поляризация, пучка р равна по опре
делению
и возвращается в основное состояние, то испускание представ..
ляет собой точное обращение процесса поrлощения, обсуждавше-
rося в разделе I, [, 1 (см. рис. 16), и ось перехода испускающей
свет молекулы лежит в плоскости колебаний испускаемоrо света.
Направление .испускаемоrо луча не обязательно должно быть
перпендикулярным оси перехода, но перпендикулярное направ-
ление является наиболее вероятным.
Для лучшеrо n()нимания рассмотрим rипотетический образец,
все флуоресцирующие молекулы KOToporo помещены в жесткую
среду и одинаково ориентированы (приближением к этому иде-
альному образцу может быть растянутая полимерная пленка
Z
р
х
Рис. 17. Испускание ПОЛЯРИ30ванноrо света ориентированными молекулами.
1[[ /..L
/11 + I..L .
rде 111 и I..L интенсивности составляющих пучка при направле
ниях поляризации, параллельном и перпендикулярном направле-
нию частичной поляризации. Эти интенсивности отвечают макси
мальной и минимальной интенсивностям, которые получаются,
если пучок проходит через поляризатор, имеющий эффектив-
ность, равную 100% (например, через призму Николя; см. раз-
дел III, О, 1), и поляризатор при этом вращают.
р
(49)
если молекулы полимера длинные, то они частично ориенти-
руются вдоль пленки). На рис. 17 образец помещен в центр О
прямоуrольной системы координат XYZ, причем оси ОХ и OZ
лежат в плоскости рисунка, а ось ОУ перпендикулярна ей. МО,
лекулы ориентированы так, что их оси параллельны оси OZ, а
электрический вектор падающеrо на них света колеблется в пло-
скости XOZ. ДЛЯ всех направлений, лежащих в плоскости ХОУ,
интенсивность испускаемой флуоресценции будет наибольшей,
а для направлений, составляющих с плоскостью ХОУ уrол а,
будет уменьшена в cos 2 а раз. Если для каждоrо уrла а от-
ложить отрезок ОР, пропорциональный интенсивности, то при
изменении уrла а конец отрезка Р опишет фиrуру, показанную
lIа рис. 17 пунктиром. Фиrура симметрична относительно оси OZ,
и при ее вращении BOKpyr этой оси получается поверхность, со-
ответствующая всем возможным направлениям распространения
флуоресценции. Какими бы они ни были, электрический вектор
будет всеrда колебаться в плоскости ZOP. Очевидно, что в на-
правлении OZ флуоресценции не будет.
В дальнейшем при обсуждении поляризованной люминесцен-
ции мы будем рассматривать только тот свет, который испу'
скается в направлении, перпендикулярном пучку возбуждающеrо
t;BeT3. Если это направление, кроме Toro перпендикулярно осц
3. Поляризация люминесценции ориентированных
молекул
Если при поrлощении света молекула попадает в самое ниж
нее возбужденное состояние, а затем испускает флуоресценцию
60
rЛАВА 1
ОсНОВНЫЕ ПРИНЦИПЫ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ
61
перехода ориентированных молекул (т. е. оси ОУ), то свет
будет полностью ПОЛяризован в вертикальном направлении
(р == 1), а ero интенсивность будет максимальной. Интенсив-
ность флуоре,сценции вдоль оси переХода (т. е. вдоль OZ) будет
равна нулю. Заметим также, что Поляризация испускания вдоль
оси ОУ будет равна единице даже тоrда, коrда образец OCBe
щается неполяризованным светом, ибо ero rоризонтальная со-
ставляющая не будет поrлощаться образцом.
Если оси молекул не параллельны (си OZ, а наклонены к ней
под уrлом у, то поrлощение возбуждающеrо света будет пони-
жено в cos 2 у раз. Испускаемая флуоресценция и в ЭТОМ случае
бу ет поляризована, однако, вообще rоворя, ПЛОСКОСть колеба,
нии уже не будет вертикальной (т. е. не будет плоскостыо ZOY).
Н ап ример, если оси молекул пара ле,тrьны линии ОР (т. е.
V п/2 0:), то плоскость колебании будет наклонена к верти-
кали под уrлом у.
4. Поляризация люминесценции случайно ориентированных
молекул
В общем случае исследуют люминесценцию таких растворов
(жидких или твердых), в КОТОРЫХ молекулы pacTBopeHHoro Be
Z щества распределены равномерно и
ориентированы беспорядочно, случай-
НО' о Н же мы рассмотрим влияние слу-
чаинои ориентации на степень поля
ризации флуоресценции, наблюдаемой
ПОД прямыми уrлами к пучку возбуж
дающеrо света. Для простоты рас-
смотрим сначала такое вещество, у ко-
Toporo направления переходнЫХ мо-
ментов для поr лощения и для испу-
скания одинаковы. (В первом прибли-
жении это отвечает случаю возбужде-
ния типа 51+---- 50 и испусканию типа
у 51 50 (см., однако, раздел 1, [, 5) в
Рис. [8. Поrлощение и условиях, коrда отсутствует деполяри-
испускание света беспоря зация (т. е. в разбавленных твердЫХ
ДОЧНО ориентированными растворах; см. разделы 1, [, 5 и 1, [, 6).]
молекулами. Поляризацию в отсутствие деполя р иза-
Точка S' проекция точки S на
плоскость ХОУ. ции назЫвают предельной поляриза
цией * и обозначают ро.
На рис. 18 переходный момент ryIолекул направлен вдоль ли-
нии 05, направление которой задается уrлом е с осью OZ и ази,
х
мутаЛЬНЫl\l уrлом ер с направлением наблюдения ОУ (5' про-
екция точки 5 на плоскость ХОУ). Если молекула возбуждается
светом, поляризованным так, что ero электрический вектор на-
правлен вдоль оси OZ, то вероятность возбуждения изменяется
в заВИСИl\IOСТИ от yr ла. е пропорционально величине cos 2 е. Далее,
при aaHHON числе таких возбужденных молекул для интенсивно-
стей вертикальной и rоризонтальной составляющих света, испу-
CKael\lOrO в направлении оси ОУ, можно написать следующие вы-
ражения:
111 сх: cos 2 е, (50)
1 сх: sin 2 е . sin 2 ер. (51)
Если в дополнение к выражениям (50) и (51) учесть еще и зави
симость вероятности возбуждения от уrла е, то при суммирова
нии по всем возможным значениям уrлов е и ер можно получить
следующий результат:
/11 /
Ро==
/11 + /
2 '
(52)
если возбуждающий свет поляризован вертикально; если он не
1
поляризован, то ро равно 3"'
5. Поляризационные спектры
Уравнение (52) дает максимальное значение ро для раство-
ров случайно ориентированных молекул, получающееся только
тоrда, коrда направления переходных моментов для поrлощения
и испускания совпадают. В общем случае это не будет иметь
места, например, тоrда, коrда в результате поrлощения моле-
кула попадает в более высокое возбужденное состояние, а затем
переходит на самый нижний возбужденный сишлетный уровень
или на самый нижний триплетный уровень, а затем испускает
флуоресценцию или соответственно фосфоресценцию. Если осцил-
ляторы поrлощения и испускания направлены пол уrлом друr
к друrу, То, как показали Пер рен (62] и Яблонский [63],
Ро == (3 cos 2 1)/(cos 2 + 3)
для вертикально поляризованноrо возбуждающеrо света и
Ро == (3 cos 2 1 )/(7 cos 2 )
(53)
для неполяризованноrо возбуждающеrо света *. Если
10 эти уравнения дают значения 1/2 и 1/3 В соответствии
(54)
=== О,
с тем,
* В ориrинале «principal polarization». В русской литературе принят
термин «предельная поляризация». П рим. ред.
* Впервые эти формулы, а также уравнения (55) (57) (см. ниже) по-
лучены В. Л. Лёвшиным [ЛёВШUl-l В. Л., Ж. РУССК. физ.-хим. об-ва, часть
физич.. 57, 283 (1925)J. Прим. ред.
62
rJIABA 1
ОСНОВНЫй ПРИНЦИПЫ И оПРйДЕЛЕНИЯ
63
что rоворилось в предыдущем разделе. Ес.1IИ же n:=о п/2, т. е.
осцилляторы поrлощения и испускании взаимно перпеБДИКУЛЯр
ны, то получаются значения 1/з и 1/7' Следовательно, в об-
щем случае при изменении уrла /3 предельная поляризация
варьирует в следующих пределах:
от +1/2 до 1/з, если возбуждающий свет вертикально поля-
ризован;
от +1/3 до !/7, если возбуждак'ЩИЙ свет неполяризовап.
То, что поляризация может быть отрицательной величиной,
т. е. что флуоресценция может быть частично поляризована
в rоризонтальном направлении,
отчетливо видно на рис. 18. Свет
возбуждает rла.вным образом те
молекулы, для которых уrол е
мал, и если уrол /3 велик, то oc
цилляторы испускания будут на-
клонены к оси OZ под уrлами,
близкими к n/2, так что верти-
кально поляризованная состав-
ляющая испускания будет мала,
а среднее значение rоризонталь-
ной остаВЛЯющей велико.
Рассмотрим теперь rипотети
ческое вещество, у KOToporo пе
peXOДHЫ моменты поrлощения и
испускания направлены парал-
лелъно друr друrу для первой по-
лосы поrлощения а (кривая 1
на рис. ] 9), но перпендикулярно друr друrу для второй полосы
поrлощения Ь. Допустим, что возбуждаlOШИЙ свет полнризован
вертикально. Построив зависимость поляризации флуоресценции
от длины волны возбуждающеrо света, мы получим поляриза
цию спектра возбуждения флуоресценции (кривая 2). Для дан-
Horo идеальноrо случая при уменьшении длины волны область
первой полосы поrлощения, [де ро постоянна и равна 0,5, c1Yle-
няется при перекрывании полос быстрым падением степени по-
ляризации, после чеrо последняя достиrает постоянноrо значе-
. ния 0,333 в области В10рОЙ полосы поrлощения. Таким обра
зом, по поляризационным спектрам принципиально вОзможнО
различить перекрывающиеся полосы, отвечающие разным элек-
тронным переходам. Кроме Toro, используя уравнение (53),
можно определить уrол /3, т. е. установить, как ориентированы
переходные моменты различных полос поrлощения относительно
переходноrо момента испускания из caMoro низкоrо возбужден-
HorO состояния (синrлетноrо или триплетноrо в зависимости от
1'oro l что измеряется флуоресценция ИЩi фосфоренценция).
р
о
о,JЗ3 -
Рис. 19. Взаимосвязь между
спектром поrлощения (1) и поля
ризацией спектра возбуждения
флуоресценции (2).
rнпотетический идеальный случай.
110ляризационные спектры флуоресценции в действительност
rораздо сложнее, чем это показано на рис. ]9. В значительнои
степени это объясняется присутствием нескольких перекрываю-
щихся переходов, однако значение ро, равное 0,5, дa.ТIeKo не Bce
rда получается даже для '«чистых» Sl Sо переходов, и ро мо-
жет принимать различные значения для разных компонент коле
бат€льной структуры полосы флуоресцен ии., т. е. поляризация
испускания флуоресценции при постояннои длине волны возбу
ждения может зависеть от длины волнЫ испускания (см., на-
пример, [64]). То, что предельная поляризация не всеrда при-
нимает максимально возможное теоретическое значение, pa
боте [65] отнесено на счет влияния крутильных колебании MO
лекулы в возбужденном состоянии.
6. Вращательная деполяризация флуоресценции
До сих пор мы считали раствор жесткиМ, т. е. предполаrали,
что между актами возбуждения и испускаБИЯ ориентация моле
кулы не изменяется. Если вязкость раствора MaJla, т,) молекулы
pacTBopeHHo.ro вещества быстро вращаются и при д стзточно
высоком времени жизни их возбужденны состоянии еще до
акта испускания света установится случаиное распределение
ориентаций. Поэтому испускаемый свет будет полностыо деволя-
ризован. Очевидно, что степень деполяризации должна зав сеть
от среднеrо периода вращения (или времени вращатеJIЬНОИ ре-
лаксации р) и времени жизни испускания '(. Влияние указанныХ
величин на степень поляризации р определяется [25] ВЫраже
нием
2. 2. === ( ...!.. 2. ) ( 1 + )
Р 3 Ро 3 р
(55)
для вертикально поляризованноrо возбуждающеrо света и BЫ
ражением
..!.. + 2.=== ( ...!.. + ..!.. ) ( 1 + )
Р 3 Ро 3 Р
(56)
для неполяризованноrо возбуждающеrо света. В этих выраже
ниях ро предельная поляризация, т. е. значение р в отсутствие
деполяризации, а величина р в предположении, что молекулы
имеют шаровидную форму, связана с коэффициентом вязкости
среды '11 соотношением
р === 3;; , (157)
rде v молярный объем. Таким образом, если в условиях, ко-
[да врем>! жизни т постоянно, измерена зависимость степени по-
ляризации раствора от температуры, то rрафик в координатах
64
r ЛАВА 1
ОСНОВНЫЕ nРИНЦИnЫ и ОПРЕДЕЛЕНИЯ
65
l/p и T/f! должен представлять собой прямую линию. Из отсече-
ния на оси ординат можно найти предельную поляризацию Ро,
а из наклона отношение L/V. Если известно время жизни т:,
можно вычислить молярный объем V.
7. Деполяризация в результаТе переноса энерzuи
Хотя диполь дипольный перенос энерrии между соседними
молекулами (см. раздел II, Б, 6) наиболее эффе,ктивен при па
ра.плельности молекул акцептора и донора, он может идти и
в том случае, коrДа они не точно параллельны. Результатом
переноса энерrии будет деполяризация, описать которую можно
следующим уравнением [66]:
I I ( I I ) ( 4л:N R ' ! 01 )
Р ::t-з == p;::t"3 1 + 15 (2а)3 с,
(58)
ется за время порядка периода колебаний возбуждающеrо
света, т. е. в пределах примерно 10 15 с.
Интенсивность и пространственное распределение света, рас-
сеянноrо суспензией «частиц», зависят от размера и формы ча-
стиц. Поэтому при обсуждении явлений рассеяния целесообразно
разбить их на три rруппы в зависимости от размеров частиц по
сравнению с длиной волны света, а именно:
1) релеевское рассеяние; размеры частиц мнorо меньше дли-
ны волны;
2) тиндалевское рассеяние (рассеяние на коллоидных ча-
стицах); размеры частиц меньше длины волны ( O,05
0,2 мкм);
3) рассеяние на крупных частицах (больше 2 мкм). Во всех
трех случаях длина волны при рассеянии не изменяется. Pac
сеяние с изменением длины волны (комбинационное рассеяние,
или эффект Рамана) рассматривается ниже.
2. РелеевС1\.ое рассеяние
Коrда световая волна распространяется в cTporo однородной
прозрачной среде, она индуцирует колебания этой среды. Воз-
никающие в результате этоrо вторичные волны полностью ком-
пенсируют друr друrа по всем направлениям, за исключением
направления распространения возбуждающеrо света, и в этой
rипотетической среде не будет никакоrо рассеяния света.
В жидкости или rазе, состоящих из отдельных молекул, всеrда
существуют малые области, в которых показатель преЛОМ,1Jения
испытывает флуктуации. В этом случае вторичные волны уже
не полностью компенсируют друr друrа и малая часть возбу
ждающеrо света будет испускаться в направлениях, отличаю-
щихся от направления распространения !30збуждающеrо света.
Это явление было рассмотрено Релеем. Предположив, что рас-
сеивающие центры представляют собой сф ры радиуса r, что
этот радиус значительно меньше длины волны света и что поля-
ризусмость частиц одинакоВа во всех направлениях, Релей pac
считал, что интенсивность рассеянноrо света пропорциональна
величине r 6 /').,4. Чтобы выяснить пространственное распределение
и поляризацию рассеянноrо света, рассмотрим рис. 20. Сфери-
ческая «частица» находится в точке О, а падающий на нее пучок
света поляризован так, что ero электрический вектор параллелен
JIИНИИ ZZ'. Под деЙствием поля волны в частице возникают вы-
нужденные колебания, направ.llенные вдоль ZZ'. При этом ча
стица испускает свет, электрический вектор KOToporo колеблется
в плоскости, содержащей и ось колебаниЙ частицы. rеометри-
чески картина явления точно совпадает с обсуждавшейся в раз
деле 1, r, 3, rде рассматривалось испускание флуор сценции
rруппой молекул, ориентированных так, что оси переходов
['де знак минус соответствует возбуждению вертика.rlЬНО поляри-
зованным светом, а знак плюс возбуждению неполяризован
ным светом, N число Авоrадро, 2а диаметр молекулы, с
концентрация в молях на литр, а Rc Критическое расстояние
между параллельными диполями, на котором вероятность пере-
носа энерпш равна вероятности испускания. Это уравнение экви
валентно эмпирической формуле, установленноЙ СвеШНl1ЕОВЫМ
и Феофнловым [67]:
I 1
== + Ас..,
Р РО
(59)
r де t время жизни возбужденноrо состояния. Отметим, что
формула (59) ана.1l0rична соотношению между р и т: в случае
вращательной деполяризации [уравнения (55) и (56)].
Д. РАССЕЯНИЕ СВЕТА
При измерениях спектров флуоресценции необходимо прини
мать во внимание рассеяние возбуждающеrо света, особенно
при низких концентрациях исследуемых веществ. ПрИ\'lеры даны
в последующих rлавах, здесь же мы обсудим механизмы pac
сеяния света и рассмотрим характерные своЙства рассеянноrо
света.
1. Виды рассеяния света
Часть света рассеивается жидкостью так, что длина волны
не изменяется, а часть с изменениями длины волны, степень
которых зависит от природы рассеивающеЙ среды. От фотолю
минесценции оба Вида рассеяния резко отличаются тем, что при
рассеянии не происходит поrлощения света и оно Осуществля-
3 3ак, 1281
66
r ЛАВА 1
ОСНОВНЫЕ ПРИНЦИПЫ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ
67
параллельны электрическому вектору возбуждающеrо света, в
результате чеrо испускаемый свет линейно поляризован, а ero
интенсивность пропорциональна cos 2 а (см. рис. 17). Помня, что
неполяризованный свет можно рассматривать как смесь двух
пучков, поляризованных под прямым уrЛОI\1 друr к друrу, не-
трудно рассчитать, что при возбуждении неполяризованным све-
том интенсивность рассеянноrо света будет пропорциональна
величине (l + cos 2 а). Именно такая зависимость и БЫЛ:1 полу-
чена Релеем.
Свет, рассеянный под прямыми уrлаии к падающему свету,
будет полностью поляризован независимо от Toro, был или не
z
и в случае более крупных, коллоидных частиц, чем и объяс
няется явление Тиндаля: если пучок вертикально поляри:юван
Horo света проходит через тонкую суспензию, то след пучка
хорошо виден сбоку, но совершенно невидим сверху или снизу.
Механизм возникновения поляризации в случае коллоидных ча-
стиц качественно можно рассмотреть так Же. как это было сде-
лано для релеевскоrо рассеяния: прле световой волны возбу
ждает вынужденные колебания частиц, имеющих сферическую
форму. Если в системе присутствуют несферические частицы, то
х
х
z
А
z'
Рис. 20. Рассеяние света сферическими частицами.
А'
z'
был поляризован возбуждающий свет. Если возбуждающий
свет поляризован, то интенсивность рассеяннот'о света макси-
мальна в направлении вдоль оси О У (рис. 17) и равна нулю
вдоль оси OZ. На практике рассеянный свет всеrда частично
деполяризован. Степень деполяризации мала для одноатомных
rазов (/1../11/ == 0,005), но может быть довольно высокой (0,1)
для MHoroaTOMHblX rазов [68], а для мноrих жидкостей при ком-
натной температуре может быть больше 0,1. Причины дсполя
ризации обсуждаются нИЖе.
Тот факт, что свет, рассеянный растворителем, сильно поля
ризован, можно пр?ктически использовать в высокочувстви
тельноЙ спектрофлуориметрии, rде рассеянный CI:KT может соз
давать неприятные помехи. Ero интенсивность можно суще-
ственно снизить, если между флуоресцирующим раствором и
анализирующим монохроматором поместить поляризатор, ориен
тированный так, что он пропускает лишь rоризонтально поля
ризованный свет. Если флуоресценция сильно деполяризована
вращательной ре.1Jаксацией (см. раздел 1, r, 6), 10 при таком
способе ее интенсивность уменьшится B ero лишь в два раза.
3. ТиндалевС1Сое рассеяние
С увеличением размеров частиц сравнительно простая кар-
тина релеевскоrо рассеяния начинает осложняться дифраIЩИОН
ными явлениями. Однако рассеянный свет сильно поляризован
Рис. 21. Рассеяние света несферическими частицами.
это приводит К деполяризации. На рис. 21 рассмотрена несфе-
рическан частица. Допустим, что направление наибольшей по-
ляризуемости АА' состаВляет некоторый уrол с направлением
электрическоrо вектора падающей волны. Тоrда вынужденные
колебания происходят в направлении ВВ', промежуточном ме-
жду направлениями электрическоrо вектора возбуждаlOщеrо
света и оси АА'. Поляризация рассеянноrо света такова, что
электрический вектор колеблется в плоскости, содержащей ли-
нию ВВ', и, вообще rоворя, свет, рассеянный под прямым уrлом
к падающему пучку, будет поляризован только частично. Kap
тина, следовательно, аuалоrична испусканию флуоресценции
случайно ориентированными молекулами (раздел l,r,4).
4. Рассеяние на крупных частицах
По мере Toro как размеры частиц становятся сравнимыми
с длиной волны света, распределение интенсивности рассеян-
'Horo света перестает быть симметричным и интенсивность ста-
новится наибольшей в направлении падающеrо пучка. Для не-
прозрачных частиц, размеры которых преВЫlllают длину волны
света, рассеяние сводится rлавным образом к отражению света,
причем ero деполяризация значительна.
3*
68
r ЛАВА 1
ОСНОВНЫЕ ПРИНЦИПЫ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ
69
5. Эффект Рамана (комбинационное рассеяние
света) [69, 70]
(60)
6. Поляризация рамановскоео испускания
Рамановское испускание всеrда в известной мере поляри-
зовано, а некоторым колебаниям соответствует весьма высокая
степень поляризации. Качественно понятно, что если молекула
совершает полносимметричное колебание (например, «дыхатеJIЬ-
ное» колебание), то как релеевское, так и комбинационное рас-
сеяния должны быть полностью поляризованы в направлении
OZ, если их рассматривать вдоль ОсИ ОУ (см. рис. 17). В paMaH
спектроскопии состояние поляризации принято хараКТfРИЗОВ3ТЬ
степенью деполяризации б:
б === 11./111 (64)
(см. раздел 1, r). Если колебания не полностью симметричны,
то соответствующие им рамановские полосы всееда имеют сте-
пень деполяризации 3/4 для вертикально поляризованноrо возбу
ждющеrо света и 6/7 для неполяризованноrо Rозбуждающе,о
света; для полностью симметричных колебаний молекул с не-
равными осями ничеrо определенноrо сказать нельзя. Коrда оси
примерно одинаковы, б приблизительно равно нулю, т. е. испу-
скание почти полностью поляризовано. Чем более оси неодина-
ковы, тем больше величина б (опять же для полносимметричноrо
колебания) и может приближаться к предельному значению 3/4
(или 6/7 для неполяризованноrо возбуждающеrо света).
Полосы paMaHoBcKoro рассеяния обычных растворителей мо-
[ут мешать при работе с высокочувствите.7IЬНЫМ спектрофлуо
риметром. Если для этих ПО.JIOС значения б МЭJJЫ, ТО их интен-
сивность можно уменьшить введением на пути луча поляриза-
тора, пропускающеrо только rоризонтально поляризованный
свет.
В разделе 1, Д, 2 было сказано, что релеевское рассеяние
обусловлено вынужденными колебаниями электронов в моле-
кулах. Эти колебания происходят с частотой, равной частоте па
дающеrо света, поэтому при рассеянии частота света не изме
няется. Если бы ядра .атомов в молекулах были неподвижны, то
релеевское рассеяние было бы единственно возможным типuм
рассеяния. На самом же деле ядра способны к колебаниям, а
молекула в целом к вращениям, и во время акта рассеяния
часть энерrии пучка может перейти в энерrию колебаний. Если
частота данноrо колебания равна vo, перешедшая энерrия будет
равна hvo. следовательно энерrия рассеянноrо фотона h (v vo).
Таким образом, частота части рассеянноrо света будет от ли-
чаться от v. Далее, если облучаемая молекула находится в коле-
бательно-возбужденном состоянии, то в акте рассеяния. света
она может отдать колебательную энерrию фотону. Таким обра
зом, кроме релеевской компоненты с частотой v, для каждой ко-
лебательной частоты Vo в рассеянном свете будут присутствовать
две компоненты с частотами v Vo и v + vo.
Комбинационное рассеяние можно рассмотреть и
волновой теории света. Индуцированный дипольный
пропорционален напряженности электrическоrо поля,
чине электрическоrо вектора волны Е:
Р === аЕ,
в рамках
MO:v!eHT Р
r. е. вели-
rде а поляризуемость молекулы. Напряженность Е колеблется
с частотой v:
и, следовательно,
Е === Ео cos (2лvt),
Р === аЕо cos (2лvt).
(61)
(62)
7. Рамановское испускание растворителей
Влияние paMaHoBcKoro испускания на результаты измерений
С.7Iабой флуоресценции исследовали Эйзенбранд и Пихер [71].
Они зареrистрировали фотоrрафическим методом rлавную pa
мановскую полосу воды при 0,342 MKM l и две полосы бензола
. при 0,993 и 0,306 MKM l. Позднее Эйзенбранд [72] сравнил инте
rральные интенсивности рамановской полосы флуоресценции
разбавленноrо раствора оксипирентрисульфоната натрия при
возбуждении ртутной линией 365 нм. Он установил, что Интен
СИВНОсть рамановской полосы равна интенсивности флуоресцен-
ции при концентрации флуоресцирующеrо вещества около
10 9 r/мл. Зная коэффициент поrашения последнеrо при 365 нм,
он рассчитал, что в ВИде paMaHOBCKoro рассеяния испускается
0,0023 % возбуждающеrо СВета.
Этот осциллирующий диполь rенерирует рассеянный свет ча
стоты v. Если теперь ядра совершают колебания, то поляри-
зуемость тоже колеблется с частотой vo. т. е.
а === ао + а! cos (2лv о t).
(63)
ТаКИI\! образом, рассеяс!НыЙ свет модулируется с ЧRСI0ТОЙ коле-
баний поляризуемости, результатом чеrо является суперпозиция
трех дипольных моментов, ОСЦИJIЛИРУЮU!.IJХ с частотами V vo,
V и \' + Va и обусловливающих испускание релеевсУ.ой линии и
двух рамановских линий. Из теор;ш следует, что интенсивность
испускания при частоте v + Vo меньше, чем при частоте V Vo,
а при больших значениях Vo интенсивность испускания riри ча-
стоте v + Vo чрезвычайно мала.
70
r ЛАВА 1
ОСНОВНЫЕ ПРИНЦИПЫ и ОПРЕДЕЛЕНИ5!
71
Таблица 4
Паркер [73], использовав фотоэлеКТРИLlеский спектрофлуори-
метр, измерил рамаНовские полосы пяти растворителей, часто
применяемых в спектрофлуориметрии. Ero результаты приве-
дены на рис. 22 и в табл. 4.
Некоторые растворители содер-
жали примеси, флуоресциро-
вавшие при возбуждении оп-
ределенными длинами волн, но
идентифицировать раманов-
ские полосы было нетрудно,
поскольку при изменении вол-
HOBoro числа возбуждающеrо
света они были сдвинуты все-
rда на одно и то же расстоя-
ние (В шкале волновых чисел)
от линии возбуждения (ср.
столбцы 2 5 табл. 4). в
табл. 4 приведен') по одной или
по две наиболее важных П3
рамановских полос раствори-
тел ей.
у всех растворителей, мо-
лекулы которых содержат ато-
мы водорода, имеется полоса
в оuласти 0,3 MKM l, а у эта-
нола дополнительный пере-
rиб с длинноволновой сторо-
ны; эти полосы обусловлены
колебаниями связей C H или
O H, В спектре дейтерирован-
ной воды сдвиr значительно
меньше, чем в спектре обыч-
ной воды. Самая узкая и наи
более интенсивная полоса у
циклоrексана и расположена
она примерно там же, что и
у этанола. И у циклоrексаНR,
и у этанола имеется в области
меньших частот дополнитель
ный двойной пик (в табл. 4 приведены более интенсивные ero
компоненты). У четыреххлористоrо уrлерода блаrодаря отсут-
Ствию В нем атомов водорода нет заметных полос в области
бcSльших частот, а ero rлавная полоса расположена на расстоя-
нии Bcero лишь 0,07 MKM 1 от релеевской полосы. Такую же по-
лосу имеет и хлороформ, но у Hero есть полоса около 0,3 MKM'I.
обусловленная атомом водорода.
а
Б
А
б
в
в
Рис. 22. Рамановские спектры pa
створителей [73].
А вода; Б.... этаНQЛ; В циклоrексан;
r четыреххлористый уrлерод' Д хлоро-
форм. Возбуждеиие светом 313 им (о, б и 8)
и 365 им (2, д, е).
Рамановские полосы некоторых растворителей [73]
е.
Сдвиr БОЛНQвоrо числа (В мкм 1)
при возбуждении светом с ДЛИНОЙ волны
Растворитель I I Среднее
I Зf(а qеf(ие
248 им 313 иМ 365 НМ 436 нм
А
Вода 0,339 0,339 0,340 0,335 0,338
Этанол 0,292 0,292 0,293 0,290 0,292
0,143 0,1 3 0,141 0,134 0,140
Циклоrексан 0,287 0,287 0,291 0,285 0,288
0,137 0,138 0,135 0,132 0,136
Четыреххлористый 0,073 ОЩ9 0,071 0,074
уrлерод
Хлороформ 0,073 ОЩ3 0,065 0,070
0,301 0,301 0,304 0,302
д
Роль рамановских полос при измерениях спектров испуска-
ния и возбуждения слабой флуоресценции МЫ обсудим в рю-
деле У, В, здесь же упомянем лишь о ВОЗможности ПрИ lенения
поляризаторов с целью уменьшения Б.тшяния этих полос. В ра-
боте [74] были получены степени деполяризации rлавных рамз-
новских полос четырех растворителей: водЬ! 0,23, этанола 0,23,
хлороформа 0,28 и Цик.тIOrекса на 0,31. Эти значения rораздо
меньше 6/7, и авторы сделали вывод о том, что упомянутые
ПОЛОсы обусловлены полносимметричными к()лебаниями. Если
на пути пучка флуоресценции поместить поляризатор, то ИIпеJj
сивность рамановских полос понизится в 2 3 раза сильнее. чем
интенсивность ПОлностью деполяризованной флуdресценции.
rлава 11
КИНЕТИКА ФОТОЛЮМИНЕСЦЕНЦИИ
СКОРОСТИ ПЕРЕХОДОВ
На рис. 23 uпоказана упрощенная схема синrлетных и трип-
JIeTHbIX уровнеи и переходов между ними. Колебате,'!ьные уров-
ни для простоты опущены. Сплошными стрелками обозначены
излучательные переходы, а пунктирными безызлучательные.
Около каждой стрелки указаны обозначение перехода данноrо
типа (см. ниже) и порядок ве-
личины ero характеристиче-
. Sz cKoro времени (в сеl<ундах).
Для излучательных процес-
сов характерны следующие
времена. Поrлощение света
(а) происходит за время по-
рядка одноrо колебания све-
S1 товой волны, т. е. около I 0 15 с.
Флуоресценция (f) из caMoro
нижнеrо возбуждеННОI'О син
rлета занимает от 10 9 с (ДЛЯ
разрешенноrо перехода, на-
пример л*'-+ л) до 10 6 С (для
менее вероятноrо л* п-пере-
хода). Излуч ательные време-
SQ на триплетных состояний (пе-
реход р) лежат в пределах от
10 2 до 10 t2 С.
ЧТО касается беЗЫЗЛУ'-Iа-
тельных процессов, то для
БОЛЬшинства молекул внут-
ренняя конверсия (n / ) из верхних возбужденных состояний как
в системе синrлетов, так и в системе триплетов происходит очень
быстро за время порядка 10 12 c, и так же быстро идет со-
путствующая ей потеря колебательной энерrии. Внутреннюю
.конверсию (п) с нижнеrо возбужденноrо синrлета в ОСНовное
состояние некоторые авторы считают несущественной для мноrих
молекул. Поскольку, однако, это предположение cTporo не дока-
{i)/
/
1(
1
С'I
-: 1
I
:,...-/
1:::1
1
1
I
,
.,. I
'2 J
I
.:;'1
';' I
;:::1
I
<::1
J
f
Т.
1 \ т fJ
\
\ (От \ (От
k [qJ 'IO'f, /0-2
9 \до\до
\ 10+2)\ lO'ZJ
,
/ , , / I I
С, / / !\. / / ( I .'::"' ,
/ -) I 1
I 1
-;::;1 ...--1 .8
I I
I r:::I
I 1"
I 1 а
/ 1;;:-
t t
::
'--
Рис. 23. Схема уровней энерrии.
Даны обозначения переходов и указаны
Типичные значения обратных скоростей
переходов.
I<ИНЕТИКА ФОТОЛЮМИНЕСЦЕН ЦИН
73
зано, на рис, 23 показан и этот процесс; естественно, он будет за-
метен только в том случае, если ero скорость сравНима со ско-
рОСТЬЮ флуоресценции и интеркомбинационной конверсии.
Интеркомбинационная конверсия (g и g') изобраЖЕ'на -для
простоты так, как будто бы она идет сразу на нижниЙ колеба-
тельный уровень соответствующеrо триплетноr.о состояния. На
самом же деле сначала осуществляется собственно интерком-
бинационная конверсия на верхний колебательный уровень
триплетноrо состояния, а затем, уже в этом со;стоянии, происхо-
дит быстрая потеря колебательной энерrии (см. рис. 12). Интер-
комбинационная конверсия из нижнеrо возбужденноrо синrлета
(g) часто занимает время порядка излучательноrо времени жиз,
ни флуоресценции (10 9 с), Доказате,rrьства существования ип-
теркомбинационной конверсии из высших возбужденных состоя-
ний (g') пока немноrочисленны' и пренебречь ЭТf1М процессом
нельзя только в тех случаях, если он успешно конкурирует
с безызлучательной конв.ерсией, т. е. занимает время порядка
IO 12 с. Что касается обратных интеркомбинаuнонных перехо
дов из триплетной системы в синrлетнуlO, то конверсия в ос-
новное состояние (т) часто происходит медленно (10 4 102 С
В зависимости от условий). Измерить ее скороС':"ь, однако, весь-
ма неПРОС10, так как ее трудно отделить от Л)Jоцессов тушения.
Из друrих процессов интеркомбинационной конверсии мы будем
иметь дело лишь с переходом с нижнеrо триплетноrо уровня на
первый возбужденный синrлетный уровень. Этот переход ответ-
ствен за явление замедленной флуоресценции типа Е (см. раз-
дел 1, В, 4), но идет он только при не очень большой разности
энерrий, коrда возможна термическая активация триплетных
молекул на колебате,'!ьный уровень, равный по энерrии ниж-
нему уровню возбу;" денноrо синrлетноrо состояния. Символ е на
рис. 23 относится к брутто процессу термической активации, за
которой следует интеркомбинационная конверсия.
За исключением поrлощения света, Все рассмотренные выше
процессы являются реакциями первоrо порядка с константами
скорости, обратными приведенным на рис. 23 временам жизни.
Времена жизни нижнеrо возбужденноrо синrлета и Ilижнеrо три-
плета достаточно велики для Toro, чтобы при встрече с друrими
молекулами произошла химическая реакция или Дезактивация
(тушение люминесценции). Эти процессы, естественно, будут
иметь второй порядок, однако, поскольку Iюнцентрация туша-
. щеr'о вещества часто rораздо выше концентрации возбужденных
молекул, их можно характеризовать константами скорости Пер
Boro порядка k Q [QJ или kq [q], rде k Q и k q бимолекулярные
константы скорости, а [Q] и [q] концентрации тушащих моле-
кул. С внутренней конверсией из верхних состояний MorYT KOH
курировать лишь очень быстрые химические превращения 'i)тих
74
rЛАВА 11
КИНЕТИКА ФОТОJ1ЮМННЕСЩ:НЦИИ
75
состоянии; они сводятся, вероятно, только к диссоциации моле-
кул, протекающей за время одноrо или нескольких колебаний.
После выключения возбуждающеrо света флуоресценция зату
хает по экспоненциальному закону со временем жизни Т, KOTO
рое определяется следующим уравнением:
l/т === k f + k n + kg + k Q [Q]. (70)
Поскольку излучательное время жизни т, равно l/k f , получаем
rpf===T/T,. (71)
Кинетику фосфоресценции и замедленной флуоресценции
МОЖно рассмотреть точно так Же, как мы рассмотрели флуорес
ценцию, но в уравнение стационарности типа (67) войдут в этом
случае концентрации триплетов (см. ниже).
Б. ФЛУОРЕСЦЕНЦИЯ
1. Эффективность и время жизни флуоресценции
Рассмотрим снова жидкий раствор, освещаемый пучком воз
буждающеrо света постоянной интенсивности. Если .при данной
толщине слоя оптическая плотность достаточно мала, то CKO
рость поrлощения света 'а будет постоянной по всему объему:
la===2300eclo, (65)
rде la измеряется в единицах эйнштейн/ (л .с), а 10 эйнштейн/
/(см 2 .с) [см. уравнения (17) (21)]. По истечении времени, дo
статочнодолrоrо по сравнению с временем жизни флуоресценции,
устанавливается стационарное состояние, в котором скорость
образования синrлет возбужденных молекул (Sl) уравновеши-
вается скоростью их исчезновения в различных процессах, пока-
занных на. рис. 23. Если в верхних синrлетных возбужденных
состояниях не идут ни фотохимические реакции, ни интеркомби-
национная конверсия, то скорость попадания возбужденных мо-
лекул в состояние Sl оказывается равной скорости поrлощения
света la. Обозначив концентрацию синrлет возбужденных МО.'1е-
кул в стационарном состоянии через [Sl], мы можем записать
1 а == (k f + k n + kg + k Q [Q]) [Sl]' (66)
[де k константы корости первоrо порядка процессов, пока
занных на рис. 23, а 'J:.k Q [Q] [S,] сумма скоростей исчезновения
синrлет-возбужденных молекул при тушении различными туши-
телями Q. Внутреннюю конверсию (с константой k n ) мы можем
рассматривать просто как один из видов тушения тушения MO
лекулами растворителя. С друrой стороны, если нам нужно ис-
следовать тушение каким либо одним тушителем и концентrации
друrих тушителей не изменяются, то влияние последних (член
k Q [Q]) мы можем включить в константу скорости первоrо по-
рядка k n и записать уравнение (66) в следующей упрощенной
форме:
2. Уравнение Штерна Фольмера и тушение
флуоресценции
Из уравнения (69) получается следующее выражение для
эффективности фЛУОРРсценции (rpЮ в отсутствие туш!!теля:
rp == kff(k f + k n + kg), (72)
и, следовательно,
rp /rpf_=-= 1 + k Q [Q]/(k f + k n + kg) === 1 + к [Q] (73)
или, если То время жизни в отсутствие тушителя
l/то === k f + k n + kg,
rp?/rpf 1 == kQт: о [Q] === к [Qj.
(74)
(75)
то
Полная Скорость испускания флуоресценции Q
и, следовательно [см. уравнение (6)],
k f [Sl] === Q == larpf == (k f -+ k n + kg + k Q [Q]) [Sl] rpf,
rде rpf эффективность флуоресценции. Следовательно,
rpj == kj/(k f + k n + kg + k9 [QJ)..
(68)
Таким образом, если измеряется флуоресценция нескольких рас-
творов, отличающихс концентрацией тушителя, и отсчет на
шкале прибора R пропорционален интенсивности флуоресцен-
ции, то зависимость величины (RO/R 1) от концентрации TY
шителя представляет собой прямую линию с наклоном, равным
К. Соотношения (73) и (75) впервые использовали Штерн и
Фольмер [75], и величину К обычно наЗЫвают константой туше
ная Штерна Фольмера.
Тушителем может служить и само флуоресцирующее веще-
(СТВО, т. е. ero возбужденные молекулы IV!Ol'YT тушиться ero же
молекулами в основном состоянии. Явления, связанные с таким
'СаАютушенuем, обсуждаются в разделе IV, r.
Иноrда тушение флуоресценции приводит к увеличению чис
.'Ia триплетных молекул (см. раздел IV, А, 4), однако за Heдo
статком информации fЮка еще трудно судить о том, насколько
общий характер имеет эта обратная связь между тушением
флуоресценции и образованием триплетов.
la === (k f + k n + kg + k Q [Qj)[Sl]'
(67)
равна k f [SJJ,
(69)
КИНЕТИКА ФОТОЛЮМИНЕСЦЕНЦИИ 77
Таблица 5
Константы скорости, контролируемые диффузией
(k c == 8RT /300011)
Раство;)итель Температура, I '1, k c '
ос пуаз л!(моль,с)
Вода +20 0,010 6,5.109
+80 0,0036 2,2.1010
Этанол 98 0,44 8,8. 107
+20 0,012 5,4. 109
+60 0,0059 1,2. tO IO
H reKcaH +20 0,0032 2,0. 1010
Циклоrексан +20 0,0095 6,9.109
Бензол +20 0,0065 1,0. 1010
+60 0,0039 1,9.1010
r лицерин 42 6,7. 10' 7,6.102
О 121 5,0. 105
+20 15 4,3. 106
+30 6,3 1,1.107
16
rЛАВА 11
. Следует отметить, что выполнимость уравнения Штерна
Фольмера не может служить доказательством Toro, что тушение
флуоресценции идет по механизму столкновений. Аналоrичное
уравнение получается и тоrда, коrда добавляемое вещество Q
образует с флуоресцирующей молекулой В нефлvоресцирующий
продукт BQ, находящийся в равновесии с В и Q';
В + Q BQ. (76)
Допустим, что большим избытком вещества Q в КОl'vIПJIекс BQ
связывается доля а: молекул введенноrо в раствор вещества 'В.
Если вещество Q само по себе не тушит возбужденное СОС10яние
соединения В, а Q и BQ не служат внутренними фильтрами (см.
раздел 111,3), то наблюдаемая интенсивность флуоресценции F
будет всеrда пропорциональна концентрации несвязанноrо В,
т. е.
и
F == k (1 а)[В]
РО == k [В].
(77)
(78)
Следовательно,
в табл. 5 приведены рассчитанные по уравtlениlO (80) KOH
станты с!юрости kc для ряда растворителей. На рис. 24 показана
зависимость от температуры константы kc для этанола, рассчи-
танной из данных о ero вяз-
кости [77]. Эта зависимость
практически линейна в KOOp
динатах Jg kc I/Т, т. е. ско-
рость ведет себя так, как
будто бы существует энер
rия активации, равная в
случае эта нола примерно
3,7 ккал/моль.
Хотя в данноЙ книrе мы ...
часто будем упоминать о я"' 9,0
скорости встреч и использо-
вать константы скорости, pac
считанные по формуле (80),
применять ее следует с осто-
рожностью. Эта формула BЫ
ведена [78, 79] из уравнения
Смолуховскоrо [80]
Fo F а [
F 1 а == Кс Q],
(79)
[де Кс константа равновесия образования комплекса. Таким
образом, тушение также следует уравнению Штерна Фоль
мера, но константа тушения представляет соб()й константу рав-
новесия образования комплекса.
3. Процессы, контролируемые диффузией
В растворах бимолекулярные реакции протекают путем
«встреч» между реаrирующими молекулами. Молекулы раство-
рителя иrрают роль «клетки», препятствующей разделению
рею.ентов, поэтому при каждой встрече осуществляется сотня
деЙствительных столкновений между ними. Если энерrия акти
вации !:1Е велика, то наблюдаемая скорость реакции выража
ется обычным кинетическиМ уравнением, т. е. произведеннеl'v!
скорости столкновений на «стерический множитель» и на экспо-
ненциальный больцмановсю:й член ехр ( !1E/RT). Если же
энерrия активации очень мала, реакция будет происходить при
каждой встрече и ее скорость будет определяться исключительно
скоростью, с которой peareHTbI MorYT диффундировать друr
к друrу. В идеальном случае крупных сферических молеКУ,lI би-
молекулярная константа скорости (kc) процесса, контролируе-
MorO диффузией, зависит только от температуры и вязкости рас-
творителя в соответствии со СЛЕ:ДУЮЩИМ уравнением [76]:
kc == 8RT/3000ll, (80)
rде 't} вязкость растворителя, выраженная в пуазах.
1t. == 4м AB N (D А + D B ) . 103
(81)
Те,мпература, ос
I I I I
I
8,0
3,0
4.0
I/Т'Шз.
5.0
Рис. 24. Диффузионная константа ско-
рости в этаноле [рассчитана по урав-
нению (80)1.
78
rЛАВА 11
КИНЕТИКА ФОТОЛЮМИНЕСЦЕНЦИИ
79
и уравнения Стокса Эйнштейна [81,82]
D А == kТ/6лr A'Il
(82)
При использовании диффузионных конст'ант скорости следует
иметь в виду еще одно обстоятельство. Если возбужденные co
стояния системы первоначально заселяются при случайном pac
пределении взаимодействующих молекул, та некоторые пары
молекул окажутся расположенными близко друr к друrу и быст-
ро прореаrируют. Следовательно, вначале измеряемая «кон-
станта» скорости будет высокой, а затем станет снижаться по
мере Toro, как будут расходоваться такие тесно расположенные
«пары». Наконец, установится стационарное состояние, П кото-
ром скорость реакции будет уравновешиваться скоростью диф-
фузни реаrирующих частиц друr к друrу. Диффузионная кон-
станта скорости [уравнение (80)] соответствует именно такому
стационарному состоянию. В жидких растворах для установле
ния стационарноrо состояния может потребова1ЬС i значитель-
ное время, например 10 7 с. Поэтому использование диффузион-
ной константы для быстрой бимолекулярной реакции не является
строrим, если эта реакция конкурирует с быстрым процессом
первоrо порядка (например, испусканием флуоресценции с кон-
стантой скорости 108 с 1 ). Математическую траК10ВКУ кинетики
переходнЫХ процессов, в том числе тушения флуоресценции,
можно найти в работе Нойеса [87]. .
Несмотря на эти осложнения, уравнение (80) очень удобао
для приближенных расчетов, поскольку мноrие процессы, иrраю
щие важную роль в фотохимии и фотолюминесценции paCTBO
ров, лимитируются диффузией. Уравнение (80) можно исполь,
зоваТ,ь для оценки BepxHero предела скорости бимолекулярнои
реакции, из KOToporo можно получить предельные значения дpy
rих параметров. Оrраничимся лишь одним приме{10М. Часто,
например в аналитических приложениях, необходимо знать по
порядку величины те значения концентраций pacTBopeHHoro ве-
щества, при которых станет ощутимым тушение ф,'!уоресцснции.
Так, для 50% Horo тушения (rp /rpf == 2), приняв, что тушение KOH
тролируется диффузией, т. е. k Q == kc, из уравнения (75) полу-
чаем
в предположении, что
а АВ == r А + r в =::: 2r А'
(83)
rде алв расстояние встречи, а D л и D B коэффициенты диф-
фузии peareHToB.
Осборн и Портер [83] обратили внимание на то что если
коэффициент трения скольжения равен нулю, молекул ] пр;] кон-
такте с растворителем MorYT «проскальзываты. Вместо фор-
MYJlbI (80) они получили следующее уравнение:
k == 8RT/2000'll.
(84)
Осборн И Портер измеряли константы скорости 1ушения трипле-
тов нафталина а-иоднафталином в различных растворителях.
В пропандиоле 1,2, rлицерине и смеси Жидкоrо парафина с
h-rексаном (50: 20) измеренные значения оказались близки
к рассчитанным по уравнению (84), однако в жидком парафи
не в четыре раза выше рассчитанных. Объяснили они это тем
что жидкий парафин состоит из длинных цепных молекул, KOTO
рые оказывают большое сопротивление движению стальных ша-
риков, используемых при измерениях вязкости, и rораздо мень-
шее сопротивление движению молекул, размеры KOTOp.'>IX малы
по сравнению с размерами цепей. По этой же причине полу-
чаются высокие скорости тушения кислородом в пропандио-
ле-l,2. Интересно, что при больших концентрациях кис.l0рода
(состветст ующих атмосферному давлению воздуха) отношение
измереннои константы скорости к рассчитанной росло с увели
чением вязкости и в очень вязких растворах ДОСТИf.Т]Q 130.
Осборн и Портер приписали это тушению на расстояниях, пое
вышающих 5А. Они предположили, что для каЖдоrо расстоя ия
между триплетом и тушителем имеется некоторая вероятность
1ушения. Она быстро падает при увеличении расстояния, так
'IТО при низких вязкостях туше'ние на расстояниях более ,..... 5 А
не .вносит ощутимоrо вклада в скорость тушения. При высоких
вязко('тях Еремя диффузии молекул друr к друrу велико, 11, если
даже вероятность тушения за единицу времени мала, оно может
внести заметный вклад в суммарную скорость, т. е. эффеК1ивное
расстояние алв в уравнении (81) возрастает. Аналоrичное объяс
нени использовали при обсуждении триплет трипле]'ноrо взаи-
модеиствия в твердых растворах фенантрена [84] и уменьшения
относительной интенсивности замедленноЙ флуоресценции воз-
бужденных димеров в вязких растворах при низкой температуре
[85, 86] (см. раздел IV, Д, 3). .
kc'o [Q] ::::< 1.
(85)
Если флуоресцирующее вещество обладает интенсивной первой
полосой поrлощения (-t'r 10 8c) И сильной флуоресценцией
('о '"')' то для водноrо раствора при 200 С находим
[QJ SO % О,ОIМ.
ДЛЯ 10% Horo тушения (rpиrpf=== 1,11)
kc't'o[Q] 0,11
(86)
п
[QJ 10 1f; О,ООIМ,
(87)
(88)
80
rЛАВА 11
ЮШЕТИКА ФОТОЛЮМИНЕСЦЕНЦИИ
81
из BTOpOrO возбужденнor"о состояния азулена достаточно интен-
сивно, показывает, что скорость внутреннеЙ конверсии из этоrо
состояния в более низкое возбужденное состояние сравнительно
мала. Были предложены различные толковании этоЙ особеано
С1И; одно из них сводится к тому, что возможность пересечения
поверхностей пот нциаJIЬ-
ной энерrии затруднена
из за большой разчости
энерrиЙ двух состояниЙ.
Коэффициенты поrа-
шения для переходов в
верхние возбужденные со-
стояния во мноrих слу-
чаях весьма высоки. По
этому излучательные Bpe
мена жизни должны быть
малы и, если возбужден-
ные молекулы не диссо
циируют, вероятность ис w
пускания должна быть
конечноЙ. Квантовую эф-
фективность TaKoro испу-
скания можно оценить,
используя приблизитель-
ное значение knf. приве-
денное на рис. 23. Pac
смотрим в качестве при
мера бензофенон, спектр
поrлощения KOToporo по
казан на рис. 11. Излуча
тельное время жизни, рас-
считанное из интеrр аль
Horo поrлощения полосы с максимумом при 4,0 MKM l, составляет
10 9 10 8 с. Если мы предположим, что деЙствительное время
жизни этоrо СОСТОЯНия порядка 10 12 с, ТО можно ожидать появ
ления испускания в области 3,5 MKM l с квантовоЙ эффектив
НОСТЫО <Р! 10 4 10 3. Такое испускание можно без труда зареrи
стрировать на хорошем приборе. На опыте [90] при возбуждении
светом 250 нм бензофенона в циклоrексане (оптическая плот
н:'сть 0,2) было обнаружено слабое испускание в области
3,6 2,9 MKM l с квантовоЙ эффективностью, не превышающей
3 .10 5. Это означает, что время жизни BepxHero состояния
меньше 3. 1 0 13 с. Расчет этот основан на предположении, что
скорость каскадноrо перехода всех молекул, возбужденных
в верхние колебательные состояния 52, на самыЙ нижний KO
,лебательный уровень (процессы А,. рис. 26) rораздо больше,
Таким образом, для. хорошо разрешенных переходов бимолеку
лярное тушение можно уменьщить до незнаЧ!lтельноЙ величины
простым разбавлением раствора до тех пор, пока концентрации
всех растворенных веществ не станут меньше 10 3 М. Конечно,
не следует ожидать, что все вещества при концентрiщиях
> 10 3 М будут тушить флуоресценцию; МНОП1е вещества не ту-
шат ее даже при rораздо больших концентрациях. Растворенное
вещество может снижать интенсивность флуоресцtcнции и при
меньших концентрациях, но уже в силу совсем иных причин,
например из-за реакции сневозбужденными молекула:\ш флуо
ресцирующеrо соединения или в результате эффекта BHyrpcHHero
фильтра (см. раздел 111,3). Эти эффекты мы не будем называть
тушением, понимая под последним только такие процессы, KO
торые уменьшают деЙствительную квантовую эффективность лю-
минесценции.
4. Флуоресценция из высших возбужденных
состоянии
Выше rоворилось о том, что испускание флуоресценции все-
[да происходит с нижних колебательных уровнеЙ первоrо воз-
бужденноrо синrлетноrо состояния независимо от ТО1.0, на Ka
коЙ уровень молекула попадает в результате поrлощения света
(раздел 1, Б, 1 и рис. 1). Это общее правило можно вывести
также и из сравнения времен жизни молекулы в различных воз
бужденных состояниях (см. рис. 23) с излучатеJIЬНЫМИ време-
нами жизни, рассчитанными по уравнению (27). Единственными
соединениями, для которых наблюдалась и была доказана флуо
РЕ'сценция из более BbIcoKoro возбужденноrо состояния, являются
азу лен (рис. 25) и некоторые ero производные [88, 89]. Ультра-
фиолетовая полоса поrлощения азулена подобна полосе поrло-
щения ароматических уrлеводородов, но, кроме нее, уазулена
есть слабая полоса поrлощения в красноЙ области. ВозБУЖ,и,ение
во второЙ, т. е. ультрафиолетовоЙ, полосе поrлощения приводит
к испусканию полосы флуоресценции в области 2,5 2,8 MKM l,
близкой к зеркальному отражению второй полосы поrлощени,Я
(рис. 25). Несмотря на ряд попыток [88, 89], испускание, OTBe
чающее первоЙ полосе поrлощения, не удалось зареrистрировать
даже при низкой температуре. ОдноЙ из причин этоrо МОжет
быть относительно низкая чувствите ьность приемников света
ближнеЙ инфракрасной области, друrоЙ малая вероятность
длинноволновоrо перехода и успешная конкуренция с; ним ту-
шащих процессов. Высказывались предположения о том, что
красная полоса поrлощения обусловлена друrой частицей, на-
пример таутомером, а не самим азуленом, но обосновать это
;'Jкспериментально пока не удалось. Тот факт, что испусканщ
со
S
4
'--"
..,
J
1
,. 2
I1
11
11
11
11
11
11
l'
l'
I ,
I ,
I ,
I I
, ,
\
\
\
,
2
1
3,0 2,5 1,5
Волновое число, Af/(M I
ID
()
Е
:1:......
gC\3
::(111
o
:::
::s
:r-
'1.>'
.o
....
Е:
::S :t
,
б
Рис. 25. Спектр поrлощЕ'НИЯ (1) и спектр
флуоресценции [2; возбуждение светом
3,19 MKM I (313 нм)] аЗУЛЕ'на в этаноле
при 2О О С.
82
rЛАВА п
!(ИНЕТИКА ФОТОЛЮМИНЕСЦЕНЦИИ
83
чем скорость внутренней конверсии из последнеrо (процесс В).
В действительности же различие между этими скоростями, по
видимому. не слишкОм велико, и, кроме испускания из нижнеrо
колебательноrо состояния, необходимо принимать во внимание
также и флуоресценцию с верхних колебательных уровнеЙ co
стояния 52 (в том числе и резонансное излучение с Toro уровня,
на который молекула попала в ре-
зультате поrлощения света). В слу
чае бензофенона упомянутая часть
флуоресценции должна лежать в об
ласти 4,O 3,6 MKM I, но заметить
ее неtозможно из за наложения ин-
тенсивноrо paMal'OBCKOro рассея-
Ния растворителя, уже обсуждав-
Шеrося вЫше. Следовательно, CYM
марная эффективность флуоресцен
ции из BbICOKoro электронно воз-
бужденноrо состояния моrла быть
больше полученноrо на опыте зна-
чения 3.10 5.
KO.JI 6a' Истолкование результатов экс
:;::щ.я периментов этоrо рода затрудняется
еще и вОЗможным влиянием флуо-
ресцирующих примесей или продук-
тов фоторазложения. Можно CKa
зать, что при изучении слабоrо ис-
пускания из верхних синr летных co
СТОяний rлавная трудность СОСТОит
не в достижении высокой чувстви
тельности при бора, а в Доказатель
стве Toro, что наблюдаемое ис-
пускание обусловлено именно 52 -----+ SlJ-переходом, а не малым
количеством примеси к основному веществу. Ниже мы уделим
проблеме чистоты особое внимание, здесь же отметим только,
что утверждения ряда авторов о том, что они наблюдали испус-
кание из высоких электронно возбужденных состояний дифени-
лена [91], оказались необоснованными, поскольку на самом деле
флуор сценuия принадлежала примесям [92].
5. Зависимость быстрой флуоресценции от температуры
В отсутствие тушителей эффективность флуоресценции (<jJf)
определяется относительными скоростями излучатеJ1ьноrо про-
цесса (k f ), с одной стороны, и безызлучательных процессов ин-
теркомбинационной (kg) и внутренней (k n ) конверсии с дpy
той [см. уравнение (69)J. МQЖНО ожидать? что скороСть излу-
, А
;А
,А
;А
"
, ,,
,,
:в
t
"
"
о К раЗ.llUЧ1iЫМ
тe bHЫ.м уро
t:; основноео сос
j
р ие. 26. Флуоресценция из Bepx
них возбужденных синrЛетных
СОСТОЯНИЙ.
s
2
чательноrо проuесса e зависит от темпераlУРЫ, поэтому изме
нения <Р! отражают изменения kg и k n . Последние ДО.'1жны уве-
личиваться с ростом температуры, поскольку при этом на Bepx
ние колебательные уровни состояния 51 попадает все большая
часть молекул и вероятность перехода через область пересече
ния r,отенциальных поверхностей возрастает. При понижении
температуры обе скорости должны стреми1ЬСй к предельным
значениям, соответствующим интеркомбинационной или BHYT
ренней конверсии с caMoro нижнеrо колебательноrо уровня 51.
Следовательно, если при комнатной температуре эффеКТi\ВНОСТЬ
флуоресценuии близка к единице, то она ЛИШh незначительно
изменится при понижении температуры, хотя может заметно
уменьшиться при повышении температуры. Слабо флуоресци-
рующее вещество может стать при низкой lемпераТУРt: сильно
флуоресuирующим. Влияние температуры на эффективность
флуоресuенuии различных ароматических соединеНi1Й было изу
чено Боуэном и сотр. [23, 24J. ОНИ vстановили, что фJIуорссцен
ция, как правило, ослабляется с ростом температуры, хотя для
некоторых веществ этот эффект мал. В соrласии с приведен
ными выше качественными выводами при низких температурах
достиrается предельное значение. Связь выхода фJIуоресценuии
с температурой можно представить в ВИДе следующеrо ypaB
пения:
S,
1/<jJf 1 == k 1 ехр ( E/RT) + k 2 .
(89)
So
Для жестких молекул (таких, как антрапен) изменение вяз
кости растворителя очень слабо влияет на значения Е, однако
Б случае rибких молекул, например молекул ди 9 антрилэтана,
Е значительно изменяется, и эти изменения оказались близки
к величине I1Е, характеризующей влияние температуры на Te
кучесть растворителя. Боуэн и Симан предположили, что воз
бужденные молекулы этоrо типа MorYT терять энерrию в ре-
зультате относительноrо термодиффузионноrо движения двух
б'ольших колеu, связанных rибкой uепью (т. е. в реЗУJlьтате
«внутримолекулярноrо ударноrо тушения»).
Позднее Лим, Лапоза и Ю [20] на примере 9, и 9,10-заме-
шенных антрапенов провели интересное исследование влияния
lемпературы на эффективность флуоресценuии и на относи
т, льную эффективность образования триплетов. Зависимость
эффективности флуоресuенuии от температуры следовала ypaB
нению (89) при k 2 === О, а относитель н а н эффективность образо-
вания триплетов, выраженная через интенсивность триплет
триплетноrо поrлощения (А), зависела от температуры следую-
щим образом:
l/A р === к ехр (+ E/RT).
(90)
84
rЛАВА 11
t<ItнЕТИ!<.А ФотоЛЮМИНЕСЦЕНЦИИ
8б
Обеим зависимостям соответствовали одни и те же значения Е,
что указывает на определяющую роль интеркомбинационной
конверсии 5 1 ТI В зависимости выхода флуоресценции от тем-
пературь!. Авторы пришли к выводу, что для исследованных
соединений внутренней конверсией 51 50 можно пренебречь,
и предположили, что БРУТТО процесс 51 ---+ т 1 начинается с интер
комбинационной конверсии в состояние Т2, расположенное не-
MHoro выше состояния 51.
Обсуждавшиеся до сих пор температурные эффекты отно-
СИ.ТIИсь к те!';! случаям, коrда в растворе отсутствуют тушитеJiИ,
т. е. коrда деrрадация энерrии возбужденных синrлетных со-
стояний происходит тош;.ко при соударениях с «инертными»
молекулами растворителя. Если в раСТ130р добав.тrен тушитель,
то ero в.тrияние описывается уравнением (73) Штерна Фо.тrь-
мера, и в этом случае появится дополнительный температурный
эффект, обусловленный влиянием температуры на вяз!сость и,
c.ТIeдoBaTe.тrЬHo, на скорость встреч флуоресци рующих молекул
с молекулами тушителя. В результате этоrо в.тrияния эффектив
НОС1Ь флуоресценции будет уменьшаться с ростом температуры.
6. Перенос энерzии между синzлеТНblми состояниями
измерениях спектров как быстрой, так и замед.тrенноЙ флуорес
ценции (см. [.тr. III). /
Существование переноса энерrии BToporo типа бы.тrо пока
зано в экспериментах по измерению по.тrяризации ф.тrуоресценции
растворов красите.тrей; при этом оказалось, что энерrия возбуж-
дения может передаваться на расстоянии порядка 50 А, что зна:
чите.тrьно превышает диаметр соударения. Ес.тrи разба ленныи
раствор флуоресцирующеrо красителя в сильно вязкои среде
освещают по.тrяризованным светом, то испускаемая ф.тrуоресцен-
ция сильно по.тrяризована (см. разде.тr 1, r, 4). Однако при увели-
чении концентрации степень поляризации флуоресценции резко
падает [93, 94]; например, при концентрации флуоресцеина по
рядка 10 З М она состав.тrяет половину максимальноrо значения
[67]. Эту концентрационную депо.тrяризацию можно объяснить
только тем, что излучателями флуоресценции становятся моле
кулы, отличающиеся от первично возбужденных. Эффект не yдa
лось объяснить тривиальным механизмом испускания и реаб
сорбции. Перрен [95, 96] предположил, что перенос энерrии
может происходить в результате пр моrо электродина ическоrо
взаимодействия между возбужденнои и невозбужденнои молеку
лами, которые рассматриваются как высокочастотные осцилля
торы. Количественная теория переноса этоrо типа была развита
Фёрстером [97, 98] *. В общем виде процесс можно записать сле-
дующей формулой:
При внутренней конверсии энерrия возбуждения передается
окружающей среде и превращается в тепло. CTporo rоворя,
Э10Т процесс следовало бы называть переносом энерrии. В дaH
ном разделе, однако, мы будем иметь дело с такими процес
сами переноса энерrии, в результате которых переданная энер-
rия пре ращается в энерrию электронноrо возбуждения моле-
кулы акцептора *. в растворах следует различать два таких
процесса, осуществляющихся на больших расстояниях между
молекулами. Простейший из них сводится к испусканию моле-
кулой донора света флуоресценции и поrлощению (реабсорб
ции) этоrо света молекулой акцептора. Такой процесс будет
иметь место,. если спеК!р поr лощения акцептора перекрывает
область испускания донора, а среда прозраСIНа для этой об-
ласти спектра. Указанный так называе:'v!ЫЙ «тривиальныЙ» про-
цесс не представляет теоретическоrо интереса, но часто приво
дит к практическим трудностям или ложнЫм результатам при
1 D* + 1 А ----+ 1 D + 1 А *.
(91)
Условия, блаrоприятствующие переносу энерrии: а) большое
перекрывание первой полосы поrлощения молекулы акцептора
(А) с полосой испускания молекулы донора (D) и б) высокий
выход флуоресценции молекулы донора. Роль донора и акцеп
тора MorYT иrрать молекулы одноrо и Toro же вещества при
условии, что ero спектры поrлощения и флуоресценции хорошо
перекрываются. Эффективность межмолекулярноrо диполь-ди
польноrо перехода можно характеризовать критическим расстоя
нием Rc расстоянием между донором и акцептором, на KO
тором вероятность переноса равна вероятности спонтанной
'* Для эффективноrо взаимодействия осцилляторов их собственные часто-
ты должны совпадать. Колебания в акцепторе индуцируются колебаниями
донора. Поэтому данный вид переноса энерrии часто называют индуктивно-
резонансным. Большой вклад в развитие теории индуктивно'резонансноrо пе'
реноса энерrии внесли работы С. И. Вавилова (см. «Микроструктура света»,
Изд-во АН СССР, М.. 1950), М. д. rаланина [Труды физ. ин-та АН СССР,
12, 3 (196О)] и М. д. rаланина и И. М. Франка [ЖЭТФ, 21, 114 (1951)].
П рим. ред.
* Различные асПекты переноса энерrии электронноrо возбуждения в pac
творах подробно рассмотрены в превосходном обзоре Jlамолы (Lдmоlа А. А.,
Еlесtrопiс Епеrgу Тrапsfеr iп Sоlutiоп: Theory апd Аррliсаtiопs. Chap. 1\.
Тесhпiquе of Оrgапiс Chemistry. Уоl. ХIУ. Епеrgу Тrапsfеr апd Оrgапiс P!10
tochemistry, ed Ьу Р. А. Leermakers, А. Weissberger, lпtеrsсiепсе PubIishers,
New York, 1969, р. 17). Прим. ред.
86
rЛАВА 11
КИНЕТИКА ФОТОЛЮМИНЕСЦЕНЦИИ
87
дезактивации. Это расстояние можно рассчитать по формуле
Фёрстера [99]
6 .9000 (In 10) х 2 <р, J OO f D8 А . dv
Rc 128:n6п4N v 4 '
О
(92)
Отметим, что, если перекрывание спектра испускания донора
со спектром поrлощения акцептора пренебрежимо м?ло, про
цесс (91) может все же осущеСТВЛЯТhСЯ при реальнои встрече
между lD* и lA разумеется, при условии, что у акцептора син
rлетная энерrия' меньше, чем у донора [101] *.
rAe N число ABoraApo, п показатель преломления среды,
х 2 ориентационный множитель (приблизительно 2/з), СР! эф
фективность флуоресценции, f D спектр испускания флуорес
, ценции донора, нормированный к еДИНИце, ОА спектр поrло-
щения акцептора, а v волновое число в CM l. Фёрстер рассчи
тал, что для флуоресцеина критическое расстояние переноса
равно 50 А, а для хлорофилла 80 А. Для бисульфата. хинина,
спектр поrлощения KOToporo значительно шире, значение омане
Ниже, а перекрывание меньше, получилось в 10 раз меньшее зна
чение критическоrо расстояния. Среднее расстояние между MO
лекулами, равное 100 А, соответствует концентрации около
2. 1 0 3 М. Поэтому для самотушения флуоресценции путем пере-
носа энерrии требуются почти столь же высокие корцентрации,
как и для ударной дезактивации в маловязких растворителях при
единичной эффективности встреч [см. уравнение (86)], но с дo
полнительным условием перекрывания спектров поrлощения и
испускания. Следовательно, можно быть уверенными, что если
жидкий раствор разбавлен настолько, что в нем не происходит
диффузионноrо самотушения флуоресценции, то в нем заведомо
можно пренебречь и тушением по механизму дальнеrо переноса
энерrии. /
Однако если донор и акцептор являются разными соедине
ниями с блаrоприятным перекрыванием спектров испускания и
поrлощения, а выход флуоресценции донора высок, то эффектив
ность безызлучательноrо пере носа может быть значительно
больше, чем в случае одинаковых молекул. Процессы переноса
энерrии в TaKoro рода системах были исследованы эксперимен-
тально. Боуэн и Ливинrстон [100] количественно изучили три
донор акцепторные пары: хлорантрацен перилен, хлорантра
цен рубрен и цианантрацен рубрен. Они установили, что
в хлороформе и бензоле константы скорости переноса энерrии
в 15 30 раз превосходят диффузионные значения, а в более
вязком жидком парафине различия еще больше. Эти результаты
показали, что обмен энерrией не является диффузионным про
цессом. Следовател'ьно, если эффективность флуоресценции дo
нора высока, а положение полосы поrлощения тvшитеJiЯ блаrо-
приятствует переносу синrлетной энерrии, то для Toro, чтобы
можно было пренебречь ero влиянием на иНтенсивность флуорес-
ценции, необходимо снизить концентрацию тушителя до 10 4 М
или даже меньших значений.
7. Внутримолекулярный перенос энерzии
Дальний перенос энерrии от синrлета к синrлету, paCCMOTpeH
вый в предыдущем разделе, приводит к испусканию сенсибили
зованной быстрой флуоресценции акцептора. Для этоrо раствор
должен быть достаточно концентрированным, т. е. значительное
число молекул акцептора должно располаrаться в пределах
критическоrо расстояния переноса. Поэтому можно ожидать, что
если «донор» И «акцептор» связаны Apyr с ApyroM постоянно
(например, представляют собой части одноЙ и той же молекулы,
соединенные насышенной цепью), то перенос энерrии будет на-
блюдaTbCя даже в разбавленных растворах. Вебер и Тил [102]
изучили две системы этоrо типа **: 1 диметиламинонафталин 5
(N-бензил) сульфамид (1) и l диметиламинонафталин 5 (N фе
нил) сульфаl\lИД (11):
X SO' NH CH' O
(СНЗ)2N \.J
X SO' NH O
(СНЗ)2N \.J
11
Хотя, cTporo rоворя, л>электронные. системы нафталиновоrо и
бензольноrо колец нужно рассматривать как единое целое, эти
системы не сопряжены и в первом приближении вносят незави
симые вкл ады в спектр поrлощения. Тем не менее оба соединения
* Е. Б. Свешникова и В. Л. Ермолаев [Опт. и спектр., 30, 379 (1971)] об
суждали возможность диполь-дипольноrо индуктивно-резонансноrо переноса
энерrии от электронно-возбужденноrо уровня ионов редких земель на высо-
кие колебательные уровни акцептора. Теоретически оценки неплохо соrласуют-
ся с экспериментальными результатами по определению времени жизни лю-
минесценции редких земель и константы скорости безызлу ательной р.езакТI
вации их возбужденных состояний растворителями (водои, тяжелои водои,
метанолом и пердейтерометанолом). Прим. ред.
** См. также работу Страйера и Хоrленда [Stryer L., Hauglaпd R. Р.,
Proc. Natl. Acad. 5ci. U. 5., 58, 719 (1967)], в которой на примере 12 соеди
нений исследован индуктивно-резонансный перенос энерrии между хромофор-
ными rруппами, закрепленными на извес:rных .расстояниях внутри сложных
.молекул. Прим. ред.
88
rЛАВА 11
КИНЕТИКА ФОТОЛЮМИНЕСЦЕНЦИИ
испускают полосу флуоресценции, подобную полосе флуорес-
ценции l-диметиламинонафталин 5 сульфамида (III).
Q S02 NH2 III
(CH3)2N V
В то же время у соединений 1 и II не была обнаружена флуорес-
ценция в той области, rде флуоресцируют прои:,;водные бензола.
Эффективность флуоресценции соединения 1 не зависела от дли-
ны волны в интервале от длинных волн до более коротких, чем
область поrлощения бензоидных соединений, и Вебер и Тил за
ключили, что перенос энерrии к нафталиновому кольцу успешно
конкурирует с .безызлучательной дезактивацией бензольноrо
кольца. у соединения II выход флуоресценции при переходе
к возбуждению светом 260 нм (область поrлощения бензоидной
rруппировки) падает до 30 % в данном случае безызлучатель
ная дезактивация бензольноrо кольца происходит значительно
быстрее, чем перенос энерrии к циклической системе нафталина.
Примерно такие же процессы разыrрываются в орrанических
соединениях некоторых редкоземельных ионов, например в Tpиc
дибензоилметиде европия. Их широкие спектры поrлощения
обусловлены орrаническими лиrандами. Часть энерrии возбуж-
дения передается одному из 4f электронов центральноrо peДKO
земельноrо атома, и он переходит на более высокую незапол-
ненную 4f орбиталь. У мноrих редких земель эта энерrия
теряется в безызлучательных процессах, однако у европия, тер-
бия, диспрозия и самария наблюдается линейчатое испускание,
обусловленное одним или несколькими переходами типа
4fn ---+ 4fт. Это явление обычно называют внутримолеКУЛЯРНblМ
переносом энерсии, однако ero можно также рассматривать как
разновидность интеркомбинационной конверсии из состояния п*
(низшее триплетное состояние) в одно из «атомных состояний».
Этот процесс подробно рассматривается в разделе V, Д, 3.
89
число ТРИIlлеТIIЫХ молекул, образующихся на один поrлощенный
квант возбуждающеrо света. В отсутствие фотохимических peaK
ций или же интеРh.омбинационной конверсии из высших синrлет
ных состояний скорость заселения нижнеrо возбужденноrо син
r летноrо состояния 51 равна скорости поr лощения 1 а, а скорость
образования триплстных молекул за счет конверсии из состоя
ния 51 равна l lI1 Ч!t. Выражение для <Р! можно получить точно так
же, как было получено выражение для <Р! [уравнение (69)], т. е.
рассчитав стационарную концентрацию синслеТНblХ молекул. He
трудно найти, что
QJt == kg/(k f + k n + kg + k Q [Q]), (93)
и, поскольку для тушения синr летноrо состояния сильно п?r ло
щающих соединений требуются концентрации тушителеи по
крайней мере порядка 10 3 М, в отсутствие специально BBeдeH
ных тушителей членом k Q [Q] можно пренебречь.
2. Эффективность и время жизни фосфоресценции
При низких интенсивностях света триплетные молекулы об
разуются и потребляютс.я в процессах, представленных следую- .
щей системой уравнений (см. рис. 23) :
50 5, Т, Скорость == laQJt,
Т, ----+ 50 + hv' == kp [Т],
Т, ----+ 50 + Тепло == k m [Т],
Т, + q ----+ 50 + q == kq [Т] [q],
== ke [Т],
rде [q] концентрация всех тушащих примесей, kq[q] состав-
ная псевдомономолекулярная константа скорости тушения при-
месью, ke[T] скорость термической аюивации триплетных мо-
лекул обратно в возбужденное синr летное состояние. В стацио-
нарном состоянии получаем
1 aQJt == (k p + k m + kq [q] + ke) [Т]. (99)
Скорость испускания фосфоресценции равна kp [Т]. Поэтому
эффективность фосфоресценции определяется следующим BЫ
ражением:
<Рр == kp [Т]/I а == kpQJ{k p + k m + kq [q] + k (100)
в котором константа скорости kp связана с излучатеЛЬНblМ Bpe
менем жизни триплетной молекулы ""CR соотношением
k p == l/""CR,' (101)
Т Термическа + 5
I активация 1
В. КИНЕТИКА ФОСФОРЕСЦЕНЦИИ
1. Эффективность образования триплетов
В отсутствие оч.ень сильноrо тушения время жизни триплет
'ных молекул на несколько порядков больше времени жизни син-
rлет возбужденных молекул. Поэтому в рамках метода стацио-
нарных концентраций процессы с участием триплетных состоя-
ний можно рассматривать изолированно, что сильно упрощает
кинетические расчеты. Чтобы написать кинеТИ'lеское уравнение,
определим сначала эффективность образоваШIЯ триплетов ер! как
(94)
(95)
(96)
(97)
(98)
90
r ЛАВА rl
КИНЕТИКА ФОТОЛЮМИНЕСЦЕНЦИИ
91
Действительное время жизни триплета 't' определяется уравнением
1/т: == kp + k m + kq [q] + ke, (102)
поэтому уравнение (100) можно переписать в друrой форме:
rpp/Cpt == 't'/Т:R' (103)
При низкой температуре константа ke становится пренебрежимо
малой, а так как в жесткой среде диффузия uчень мала, то
можно пренебречь и величиной kq[q]. Поэтому для случая низкой
температуры ижесткой среды получим
rpp/rpt == kp/(kp + k m ). (104)
Время жизни 'tR (или константа скорости kp) является фунда-
ментальной характеристикой вещества, не зависящей от темпера
турь!. Чтобы определить значения 'tR или kp, нужно знать не
ТОЛЬКО rpp и Т:, доступные непосредственному измерению, но
также и эффективность rpt, определение которой до последнеrо
времени представляло большие трудности. Эффективность обра-
зования триплетов rpt зависит от процессов с участием синrлет-
Horo состояния [см. уравнение (93)] и в Отсутствие специально
добавленных тушителей синrлетов определяется выражением
rpt == k/(k f + k n + kg). (105)
Чтобы обойти трудности прямоrо определения rpt, мноrие авторы
Принимают, что ввиду малоrо времени жизни первоrо возбужден,
Horo синrлетноrо состояния внутренней конверсией из Hero (про
цесс п на рис. 23) можно пренебречь. В этом случае
т аблuца б
Эффективность и время жизни три летноrо состояния
дианиона эозина (7. 10 a М) (19]
Температура,
ос
1, с
qJP
qJ p/
в слuцерuн.е
196 0,0107 0,0643 6,0
70 0,0055 0,0328 6,0
20 0,0030 0,0160 5,3
+25 0,0026 0,0124 4,8
+70 0,0009 0,0047 5,2
В этан.оле
196 0,0089 0,0237 2,7
70 0,0039 0,0099 2,5
20 0,0026 0,0070 2,7
+25 0,0014 0,0039 2,8
+70 0,0007 0,0015 2,1
и, следовательно,
rpt kg/(k f + k g ),
Чf kf/(kf + kg)
rpt 1 rpf'
(106 )
(107)
(108 )
что для эозина В rлицерине и этаноле величина rpp/'t' очень мало
изменяется в температурном интервале от +70 до 196°C, и
можно полаrать, что для эозина в этом диапазоне температур
уравнение (108) выполняется. Для эозина в rлицерине rpj == 0,45,
и, подставляя в уравнение (103) rpt == 0,55 и rpp/'t' == 6,0, Haxo
дим, что излучательное время жизни эозина составляет около
100 мс, т. е. примерно в десять раз больше измеряемоrо времени
жизни при температуре жидкоrо азота.
Способы определения rpt рассматриваются в rл. IV.
Имеющиеся в настоящее время опытные данные показывают,
что уравнение (108) выполняется, по крайней мере приближен-
но, для некоторых соединений [103, 104], хотя имеются и противо
положные данные [105]. Можно ожидать, что скорость внутрен-
ней конверсии из синrлетноrо состояния k n при понижении тем-
пературы будет уменьшаться, поэтому при низких температурах
уравнение (108) вытюлняется точнее. Влияние температуры на rpt
будет сводиться при этих условиях к зависимости от нее CKO
рости интеркомбинационной конверсии kg. Абсолютные значе
ния rpt определить трудно, однако, иsмерив rpp и т: и использовав
уравнение (103), можно определить зависимость от температуры
относительной эффективности образования триплетов. Данные,
полученные Паркером и Хатчардом [19] (табл. 6), показывают,
3. Зависимость фосфоресценции ОТ температуры
В разделе 11, Б, 5 показано, что эффективность быстрой флуо
ресцеНЦИ<I с ростом температуры обычно уменьшается. Эффект
невелик в диапазоне от 77 К до комнатной температуры rpf
редко изменяется более чем в 10 раз. В противоположность
этому эффективность Т 1 50 фосфоресценции может падать
в этом интервале температур на несколько порядков и чрезвы-
чайно сильно зависит от вязкОСти растворителя. Различие в по
ведении обусловлено тем, что излучательное время жизни три-
плетноrо состояния велико и соответственно оно сильнее подвер-
жено тушению примесями и интеркомбинационной конверсии
Т 1 50 [см. уравнение (100)]. Для некоторых соединений оказы
вается существенны м дополнительное влияние изменений rp, (см.
раздел 11, Б, 5), которое противоположно влиянию тушения и
92
rЛАВА 11
КИНЕТИКА ФОТОЛЮМИНЕСЦЕНЦИИ
93
тушена еще в четыре раза и ее нетрудно зареrистрировать. Bpe
мя жизни триплета было измерено еще в 1930 r. Будэн [31] при
помощи визуальноrо фосфороскопа. С друrой стороны, излуча
тельные времена жизни мноrих триплетных молекул (например,
триплетов ароматических уrлеводородов) составляют 1 10 с,и
можно ожидать, что эффективность их фосфоресценции в жид
ком растворе при комнатной температуре уменьшится в 1000 раз
и более. Фосфоресценцию
ароматическоrо уrлеводоро
да при комнатной темпера-
туре в жидком растворе
впервые наблюдали в 1962 r.
Паркер и Хатчард [35]. На
рис. 27 показаны спектры
фенантрена при нескольких
температурах, а на рис. 28
изменение величины qJp/q!f
в более широком темпера
турном интервале. При 77 К
интенсивность фосфорес-
ценции почти равна интен-
сивности быстрой флуорес
ценции. При 980 С интен-
сивность фосфоресценции
уже в 200 раз меньше ее ин
тенсивности при 77 К и бы
стро падает с дальнейшим
ростом температуры, со-
ставляя при +220 С менее
одной тысячной значения
при 77 К. Время жизни фос
форесценции уменьшается
при этом от 3,6 до 10 3c.
Причинами резкоrо падения
эффективности и времени жи,зни фосфоресценции MorYT быть
увеличение скорости безызлучательной конверсии (k m ) и (или)
тушение триплетноrо состояния примесями (kq[q]), но пока еще
не ясно, которая из этих причин является rлавной (см. раздел
IV, Б, 1) *.
иноrда приводит к очень малым эффективностям фосфоресцен
ции при 77 К. Однако для мноrих соединений, у которых qJt cpaB
нительно мало меняется с температурой, величина изменения qJp
при переходе от твердоrо раствора при 77 К к жидкому раствору
при комнатной температуре может быть оценена следующим об
разом. Экспериментально установлено, что в освобожденных от
(.,
...
...::t
:t::z
.......:.:
::tQ.>
Q.>
::t:;;
t..>:t:
'1.>.0
б
,
'Q-o
"'
Е: .
\J.......
011;
t:s
:;::.:
\"I:t:
:t:'"
Q.>
1:
i
40
40
+3
400 500
Мина 1!10.lfHbl, НМ
Рис. 27. Фосфоресценция (справа) и замедленная флуоресценция (слева)
фенантрена в этаноле [441].
Скорость поrлощения света (313 нм) около 10 5 з!!нштеин/(л,с). Около каждо!! криво!!
указана температура. Чувствительности в 8500 и 108 раз больше использованно!! для ре-
rистрацин быстрой флуоресценции (пунктирная кривая).
кислорода жидких растворах времена жизни мноrих триплетных
молекул при комнатной температуре лежат в пределах 1 10 мс
(независимо от их излучательных времен жизни) при условии,
что триплет не вступает в химическую реакцию с растворителем.
Если извеСТllо время жизни триплета при 77 К, то из уравнения
(103) можно рассчитать степень тушения при комнатной темпе
ратуре. Так, излучательное время жизни триплета эозина cpaB
нительно мало ('" 1 00 мс), а наблюдаемое время жизни при 77 К
около 10 мс, и, следовательно, ero фосфоресценция потушена при
этих условиях примерно в 10 раз. При комнатной температуре
в rлицерине (-t'p == 2,6 мс) фосфоресценция дополнительно по
1O !
..........
:z
-2
..т
Q:;-
X x
х6.
1
х
I
х
,
I I
300 200 150 100
Температура, К
80
Рис. 28. Зависимость эффективности
фосфоресценции и замедленной флуоре-
сценции фенантрена от температуры.
Шкала абсциссы лине!!на для обратно!! темпе'
ратуры.
* Недавно ряд авторов сообщили о наблюдениях достаточно интенсивной
фосфоресценции при комнатной температуре бензофенона в жидком пер фтор-
метилциклоrексане (Parker С. А., Joyce Т. А., Chem. Соттип., 1968, 749) и
бензофенона, ацетофенона и трифенилена в тщательно очищенных жидких
уrлеводородах (Clark W. D., ии А. D., Steel С., J. Ат. Chem. Soc., 91, 5413
(1969)J. Прuм. ред.
94
rЛАВА II
КИНЕТИКА ФОТОЛЮМIШЕСЦEIЩИИ
95
На рис. 27 показаны также спектры замедленноrо испуска-
ния растворов фенантрена; они относятся к замедленной флуо-
ресценции типа Р и обсуждаются в одном из следующих разде
J10B книrи.
Теренин и Ермолаев показали, что сенсибилизация происходит
при условии, что триплетный уровень донора расположен выше
триплетноrо уровня акцептора. Было установлено, например, что
все соединения, приведенные в верхней части табл. 7, MorYT слу
жить донорами по отношению к соединениям нижней части. Te
ренин и Ермолаев предложили следующую схему процесса:
4. Перенос энерzии от трuплета 1с СUllzлету и
сенсибилизованная фосфоресценция
Процесс переноса энерrии
Донор (триплет) + Акцептор (синrлет) Донор (синrлет) +
+ Акцептор (триплет) (109)
разрешен по спину и впервые наблюдался в твердой среде при
77 К Терениным и Ермолаевым [106]. Так, если раствор нафта
лина в этаноле облучать при этой температуре светом 366 нм то
никакой люминесценции не наблюдается, поскольку при этой д и-
не волны нафталин не поrлощает. Однако если в тот же раствор
ввести бензальдеrид, то возникает яркая фосфоресценция, Ха-
рактерная дЛЯ ТI Sо перехода в нафталине. Очевидно, возбу-
ждающий свет поrлощается бензальдеrидом, а затем энерrия воз-
буждения переходит на нафталин и вызывает сенсuбuлuзован
llУЮ фосфоресценцию. По механизму переноса от синrлета к
синrлету она перейти не может, поскольку СИl1rлетный уровень
бензальдеrида расположен ниже синrлетноrо уровня нафталина.
D D' 3D,
3D ID+hv',
3D ID,
3D+IA lD+3A,
3А A + hv".
(110)
(111 )
(112)
(109)
( 113)
Предполаrая, что вероятность переноса энерrии [уравнение
(109)] пропорциональна концентрации акцептора, можно записать
1/'t 1/-со == kt,c А' (114)
Таблица 7
Системы, исследованные Теренины'lf и Ермолаевым [106]
[де 't И 1:'0 времена жизни фосфоресценции донора в присут-
ствии и в отсутствие акцептора, сА концентрация акцептора,
а ktr константа скорости BToporo порядка. В растворе, со-
стоявшем из смеси этанола с эфиром,зна чения kt-'to оказались
равными 0,7 2,3 л/ оль, и, следовательно, чтобы получить ощу-
тимое тушение триплетов донора и сенсибилизацию акцептора,
требова ись весьма высокие концентрации последнеrо.
Перенос энерrии от триплета к синrлету в жидкости впервые
изучили Бекстрём и Сандрос. Они нашли [33], что вещества, спо-
собные тушить фосфоресценцию диацетила, можно разбить на
два класса. В первый класс они включили соединения со слабо
связанным атомом водорода: первичные и вторичные амины, фе-
нолы, альдеrиды и спирты. Они предположили, что тушение
этими веществами сводится к фотохимической реакции с три
плетным диацетилом, в результате которой от молекулы туши-
теля отрывается атом водорода. Тушение соединениями BToporo
класса обусловлено переносом энерrии от триплета к синrлету
[уравнение (109)]. Авторы предположили, что вероятность пере
носа повышается с увеличением степени перекрывания спектра
фосфоресценции диацетила со спектром ТI +-- Sо-поrлощения ту-
шителя, а также с ростом силы осциллятора индивидуальных
переХОДОБ. Эти же авторы [107] наблюдали в жидких растворах
сенсuбuлuзованную фосфоресценцию и тоrда, коrда акцепто
рами служили фосфоресцирующие дикетоны' диацетил, бензил
и анизил, а сенсибилизатором бензофенон, триплетный ypo .
вень котор'осо расположен на 0,4 MKM l выше триплетноrо УРОВ-
I;IЯ диацетила. Эта разность достаточно велика для Toro, чтобы
Высота Время жизии Длиниоволновый
Соединение триплетноrо предел спектра
уровня, фосфоресценции, поrлощения,
MKM l с MKM !
Доноры
Ацетофенон 2,585 2,3 . IO : 2,75
Бензоин 2,565 2,4' 10 2,80
Бензальдеrид 2,52 1,5 . IO З 2,675
Дифениламин 2,52 1,85 3,10
о-Оксибензальдеrид 2,46 2,60
Карбазол 2,448 7,25 2,95
Бензофенон 2,42 4,7 . 10 З 2,60
Акцепторы
Дифенил 2,28 4,4 3,40
Нафталин 2,13 2,30 3,10
а Метилнафталин 2,12 3,05
а ХЛОРН[Jфталин 2,07 0,30
96
rЛАВА II
КИНЕТИКА ФОТОЛЮМИНЕСЦЕНЦИИ
97
достаточно низко по сравнению с триплетным уровнем донора.
Позднее Сандрос и Бекстрём [109], а также Паркер, Хатчард и
Джойс [110] показали, что перенос происходит и тоrда, коrда
триплетные. уровни ДOHO
ра и акцептора располо
жены близко друr к дpy
ry, хотя в этом случае эф-
фективность встречи бу-
дет более низкой. Про-
цесс переноса энерrии
можно иллюстрировать
диаrраммой, показанной
на рис. 29. К:оrда три
плетный уровень акцепто-
ра лежит значительно ни
же уровня донора (схе-
ма А), то в результате
переноса энерrии обра-
зуется колебательно воз
бужденный триплет aK
цептора, обладающий
энерrией, равной той, ко-
торую до этоrо имел до-
нор. Затем акцептор бы-
стро теряет избыток коле-
бательной энерrии, после
чеrо ero энерrия уже не-
достаточна для обратно-
ro переноса на донор.
С друrой стороны, если
триплетные уровни распо
ложены близко друr к
друrу (случаи В и F), то
перенос энерrии возмо
жен в обоих направлениях, причем для переноса с более низ-
Koro уровня на более высокий необходима предварительная тер-
мическая активация. Поэтому суммарная вероятность переноса
на одну встречу уменьшается. Если же триплет акцептора лежит
значительно выше триплета донора (схема Б), перенос энерrии
невозможен даже после термической активации.
Перенос энерrии от триплета к синrлету в случае А приво-
дит К тушению триплета донора, эффективность KOToporo на
одну встречу равна еДИНИце и которое подчиняется закону Штер-
на Фольмера. В отсутствие акцептора уравнение (100) прини-
мает вид
обеспечить диффузионный характер переноса энерrии, и по зави-
симости интенсивности сенсибилизованной фосфоресценции диа
цетила от ero концентрации авторы рассчитали время жизни
триплетноrо бензофенона при 200 С в бензоле (l,9.10 6 с) и В
изопропиловом спирте (5,7 .10 8 с).
Портер и Уилкинсон [108] исследовали перенос энерrии От
триплета к синrлету методом импульсной абсорбционной спектро
скопии. Им удалось непосредственно наблюдать и тушение три
плета донора, и образование триплета акцептора, процесс же типа
lD'+lA lD+3A (115)
они смоrли ИСКЛЮчить на том основании, что в присутствии ак-
цептора выход флуоресценции донора не изменялся. С точки зре-
ния сохранения спина процесс (115) маловероятен *. Авторы
пришли к соrласию с выводами Бекстрёма и Сандроса, однако
они не обнаружили, что эффективность тушения падает с уве-
личением энерrетическоrо промежутка между триплетом донора
и ниже расположенным триплетом акцептора. Они пришли к вы-
воду, что перенос энерrии между молекулами происходит во
время их встречи на обычных расстояниях столкновения. Орби-
тали молекул при этом перекрываются, электроны ста.новятся
неразличимыми и, коrда молекулы расходятся, акцептор может
оказаться в возбужденном состоянии.
В донор акцепторных парах, изученных Портером и Уилкин-
соном [108], перенос энерrии от триплета к синr лету происходил
при каждой встрече, если триплетный уровень акцептора лежал
* Процесс (115) был обнаружен недавно В. Л. Ермолаевым и Е. Б. Свеш,
никовой [Опт. и спектр., 28, 601 (1970)]. Они обнаружили тушение и сокраще
ние времени жизни флуоресценции 9,10 ди н-пропил , 9,10 дихлор и 9,IО ди-
бром антраценов в жидком толуоле при 20° С нафталином, флуореном, дифе-
нилом и стильбеном и установили, что во всех исследованных случаях вели-
чина тушения совпадает с сокращением времени жизни и обе величины линей-
но связаны с концентрацией акцептора. Обратный процесс
3D + IA ----.....+ ID + IA* (1 15а)
был исследован [Васильев Р. Ф., Nature, 200, 773 (1963); Беляков В. А.,
Васильев Р. Ф., в книrе «Молекулярная фотоника», изд во «Наука», Л., 1970,
стр. 70] по усилению производными антрацена СА) хемилюминесценции, ко-
торая сопровождает окисление циклоrексана и этилбензола и эмиттерами ко-
торой являются циклоrексанон и соответственно ацетофенон в триплетном
состоянии (3D); в этом случае в результате введения акцептора триплет синr
летное испускание донора заменяется синr лет синr летным испусканием акцеп-
тора. Процессы (115) и (115а) запрещены по спину. Этот запрет ослабляется
в результате спин орбитальноrо взаимодействия, которое тем больше, чем
больше атомный номер вводимоrо заместителя. Так, константы скорости ма-
ксимальны, коrда донором в процессе (115) [или акцептором в процесс е
(115а)] служит 9, 10 дибромантрацен; они составляют 108 109 M lC I. В обоих
случаях перенос энерrии идет по обменному механизму, который сводится к
, обмену электронами между донором и акцептором при соприкосновении элек-
тронных оболочек их молекул. Прим. ред.
А. Высока.я Эффек- Б. Переноса нет
mUбность переноса
Донор Акцептор Донор Акцептор 01
!1
I
..
В. Нuзка.я эф ек r. Низка51 эффектll8-
тибносmь пе еноса насть переноса 01
Донор Акцептер ДО'ОР А"ммор I
?1r" }
i
ё
I
Рис. 29. Зависимость эффективности пе-
реноса энерrии от триплета к синrлету от
относителъноrо расположения триплетных
уровней.
4 3ак. 1281
cp kpcpt/(kp + k m + k ll ).
(116)
98
rЛАВА п
КИНЕТИКА ФОТОЛЮМИНЕСЦЕНЦИИ
99
и, следовательно,
qJUqJp == 1 + kq [q]/( kp + k m + ke):=': 1 + 7: o kq [q],
( 117)
Если предположить, что все молекулы, термически активирован-
ные в электронно-возбужденное синrлетное состояние [уравне-
ние (98)], флуоресцируют с обычной эффективностью флуорес-
ценции qJf, то для эффективности замедленной флуоресценции
rде 7:0 время жизни в отсутствие акцептора. Для акцепторов,
триплетный уровень которых расположен существенно ниже три-
плета донора, kq определяется диффузией, т.. е. при 200 С состав-
ляет примерно 1010 л/(моль,с), и, следовательно, для 50%-Horo
тушения триплетов С временем жизни 1 О мс имеем
2,0
M/(M J
1,8 1,6 1,4 1,2 2,0
мкм- 1
1.8 1,6 1,4 1.2
[q]50% 10 8M.
(118)
6
,.
......\
\.......S
Тушение, следовательно, осуществляется при крайне низких кон-
центрациях тушителя, и действительно, для Toro чтобы наблю-
дать триплет синrлетную фосфоресценцию в жидких растворах,
необходимо использовать тщательно очищенные вещества и рас-
творители. К:роме Toro, основное состояние молекулярноrо кис-
лорода -----: триплетное, поэтому он эффективно тушит друrие три
плетные молекулы; следовательно, необходимо кю; можно силь
нее снизить и концентрацию молекулярноrо кислорода. Наи
большие времена жизни триплетов в жидкостях при комнатной
температуре составляют около 20 мс, однако пока не известно,
чем определяется этот предел тушением примесями или же
интеркомбинационной конверсией Т 1 --+ 50. Более подробно этот
вопрос обсуждается в rл. IV.
н
в
r. КИНЕТИКА ЗАМЕДЛЕННОй ФЛУОРЕСЦЕНЦИИ
1. Замедленная флуоресценция типа Е
Испускание замедленной флуоресценции типа Е происходит
в результате термической аКТИ1зации молекул из нижнеrо три-
плетноrо СОСТОЯНИя в первое синrлет-возбужденное состояние и
последующеrо излучательноrо переход а в основное состояние
(см. раздел 1, В, 4). Эта разновидность замедленной флуорес-
ценции рассматривалась Перреном и Яблонским и была иссле
дована Льюисом и сотрудниками в жестких средах и Паркером
и Хатчардом в жидких растворах. Работа последних авторов
'[19] С растворами эозина представляет собой наиболее полное
количественное исследование явления, и мы рассмотрим ее не-
сколько подробнее. К:инетику испускания замедленной флуорес-
ценции типа Е нетрудно получить из схемы, представленной
уравнениями (94) (98) (раздел 11, В, 2), которая приводит к
следующему выражению для эффективности фосфоресценции
[см. уравнение (l 00)]:
qJP == kpqJt/(kp + k m + kq [q] + ke). (119)
Рис. 30. Спектры долrоживущеrо испускания эозина в rлицерине (слева)
и в 9таноле (справа) [19].
Быстрая Флуоресценция прн +300 С (а) н прн +220 С le). Долrожнвущее нспусканне прн
+690 С (6), +480 С (8), + 180 с (е), iOo С (д), +710 С (Ж), +430 с (3), +220 С (и), 70 С (А).
580 С (М). Шкала интеисИвносте!l ДЛЯ б д в 2('И раз меньше, чем для а; ДЛЯ ж АС
в 1000 раз меньше. чем дтl е. '<ривая 8 спектральная чувствительность фотоумножителя
9558 с кварцевым монохроматором (8,,).
получится выражение, подобное формуле (119), а именно
СРе === keqJtqJf/(k p + k m + kq [q] + k e ), (120)
и, следовательно,
qJe/qJp == keqJt/kp.
(121)
4.
100
rЛАВА II
КИНЕТИКА ФОТОЛЮМИНЕСЦЕНЦИИ
101
Отношение интенсивностей полос замедленной флуоресценции
типа Е (коротковолновые полосы на рис. 30) и фосфоресценции
(длинноволновые полосы на рис. 30) не должно, следоват льно,
зависеть от QJt и процессов тушения триплетных состоянии.
Константа ke относится к термической активации на верхний
колебательный уровень триплетноrо состояния, с KOToporo моле-
кула испытывает интеркомбинационную конверсию в первое
0.0
пропорциональна концентрации присутствующих триплетных мо-
лекул. Поэтому, если выключить возбуждающий свет, испуска-
ние затухает по экспоненциальному закону с временем жизни,
равным времени жизни фосфоресценции. Этим оно отличается
от друrой разновидности замедленной флуоресценции, которую
мы рассмотрим в следующем разделе.
Измерения замедленной флуоресценции типа Е можно ис-
пользовать для определения энерrии триплетноrо состояния и
для оценки скорости интеркомбинационной конверсии. ЭТИ BO
просы обсуждаются в rл. IV.
0,0030
0,0040
2. Перенос энерzии от триплета к триплету и
замедленная флуоресценция типа Р
В испускании растворов фенантрена присутствует как замед-
ленная флуоресценция (левая часть рис. 27), так и фосфорес-
ценция (правая часть рис. 27). На первый взrляд может пока
заться, что в данном случае Имеет место замедленная флуорес-
ценция Toro же типа, что и для эозина. Однако ряд особенностей
показывает, что это ИСПУСЮlНие не может быть замедленной
флуоресценцией типа Е. Во-первых, расстояние между триплет
ным и первым возбужденным синrлетным уровнями фенантрена
столь велико (19 ккал), что при комнатной температуре терми
ческая аКТИвация должна быть незначительна. Во-вторых, зави-
симость от обратной температуры лоrарифма отношения интен-
сивностей замедленной флуоресценции и фосфоресценции не
является линейной, производная (наклон) этой функции поло-
жительна в широком интервале температур (см. рис. 28). На-
конец, исследования антрацена и мноrих друrих соединений
с большим триплет-синrлетным расщеплением показали, что эта
разновидность замедленной флуоресценции общее явление.
Механизм явления впервые сформулировали Пар кер и Хатчард
[45, 46]; в ero основе лежит тот опытный факт, что скорость испу-
скания замедленной флуоресценции /nр пропорциональна Ba-
драту интенсивности возбуждающеrо света. Это означает, что
квантовая эффективность замедленной флуоресценции этоrо
типа в пропорциональна перВОЙ степени скорости поrлощения
света, т. е.
,.....
20
....... '
....
;s
4,o
Рис. 31. Зависимость замедленной флуоресценции типа Е от темпера-
туры fl9].
1. 2 3 эоэин В rлицерине концентрацин 7.10 5, l,5.10 5 и O,08.10 5 М; 4, 5, б эозив
. , в этаноле: концентрацни 7.1O 5, 1,5.lo 5 и O,3'lO 5 М.
электронно возбужденное синrлетное состояние; ее можно пред-
ставить в следующем виде:
ke == А ехр ( 6.EfRT), (122)
[де А частотный множитель, а 6.Е энерrия активации. Тоrда
из уравнений (101), (121) и (122) получаем
QJe/QJp == 't'RQJr A ехр ( 6.E/RT). (123)
Определенные по спектрам рис. 30 величины lп (QJe/QJp) линейно
зависят от обратной температуры (рис. 31), и полученное из на-
клона rрафика значение 6.Е совпадает в пределах ошибки опыта
с энерrетической разностью между максимумами двух полос ис-
пускания, тем самым подтверждая предполаrаеМ!,IЙ механизм.
Отметим, что скорость испускания замедленнои флуоресцен-
ции типа Е равна ke[T], т. е., подобно фосфоресценции, она прямо
/ DF ос / ,
еОС/ а
e/QJr ос / а'
(124)
( 125)
( 126)
и, следовательно,
Подтверждением «квадратичноrо закона» или, друrими словами,
«ДВУХфОТQнноrо» механизма замедленной флуоресценции в рас-
творе MorYT служить Данные табл, 8, \IЗ которых следует, ПQ
102
rЛАВА rr
КИНЕТИКА ФОТОЛЮМИНЕСЦЕНЦИИ
103
т аблuца 8
Влияние интенсивности света на замедленную флуоресценцию
растворов антрацена [46]
Наибольшая интенсивность возбуждающеrо света составляла
примерно 1,4. 1O 8 эЙнштеЙн/( см 2 . с) при 2,73 мкм 1 (366 НМ)
расходования в процессах первоrо порядка [уравнение (128)].
Поэтому в стационарном состоянии
Ia<jJt === k h [Т] === [Т]/., (133)
ОтноситеЛЫiая 5.]0 4 М 5.1O 5M
интенсивность
воэбуждающеrо IO'8/<р! I 8/(<РуI о) 1O'8/<ру I 8/(<PfI о)
спета, 10
1,00 93 0,009 92 0,009
0,29 36 0,012 30 0,010
0,112 ]7,5 0,016 10,1 0,009
0,081 129 0,016
0,032 4,5 0,014 2,3 0,007
0,010 ],4 0,014
rде 't время жизни триплета. Далее, если предположить, что
неизвестное промежуточное вещество Х диссоциирует очень бы-
стро, т. е. испускание замедленной флуоресценции лимитируется
процессом (129), то, поскольку для образования одной синrлет
возбужденной молекулы требуются две триплеТНЫе, а испуска-
ние происходит с эффективностью <р}, получаем
IDF:= kx[T]2<jJfks/(kr+ks) (134)
и, принимая во внимание уравнение (133),
8/<jJf ===-} kxla (<jJt't)2[ks/(kr + k s )], (135)
При м е ч а н и я.
е эффективность З8 медлениой ф/rуоресценции.
<Р! эффективность быстрой Флуоресценции.
Значеиня 8/<Р! для двух растворов непосредственно сравнивать НС.1ЬЗЯ. так
как в более концентрнрованном растворе возбуждающий свет сильно nor лощ"лся
и люминесценцию приходилось измерять со .r:TOpOHbI возбуждения. Точность изме-
реннй не столь высока, Kalt в БО.,ее поздних работах, но достаточна для Toro.
чтобы установить характер зависимости 8 от СКОРОСТИ поrлощенИ'я ('веТа.
rде 8 эффективность замедленной флуоресценции.
Заметим, что в результате реакций (129) и (131) триплетна
энерrия передается от одной триплетной молекулы ко ВТОрОII
трuплеТ/-lОЙ молекуле, т. е. часть энерrии двух поrлощенных 110
отдельности квантов сосредоточивается на одной частице. по-
этому процессы, представленные уравнениями (129) и (131),
можно назвать переносом энерrии от триплета к триплету.
В rл. IV мы увидим, что для некоторых соединений (лучший при-
мер пирен) частица Х представл ет собой возбужденный ди:
ме р S' идентифицировать которыи можно по ero характеРНОlI
2,
флуоресценции, испускаемой прежде, чем димер успеет диссо-
циировать, т. е.
отношение 8/<jJf (которое для процесса типа Е не зависит от CKO
рости поrлощения света) изменяется точно так же, как и CKO
рость поr лощения света. Подобные доказатеJ1ьства квадратич-
ной зависимости были получены для БОJ1ьшоrо числа соединений
в жидком растворе [34 36, 86, 111 115], а также для несколь-
ких веществ в rазовой фазе [47]. В предложенном механизме [46]
предполаrается, что при встрече BYX ТРИПЛЕ'тных молекул полу-
чается молекула Х, которая затем распадается на электронно-
возбужденную иневозбужденную синr летные молекулы:
So SI Т Скорость 1 a<jJt,
т So === k h [Т],
T+T X :о.: kx[Т2],
Х ---+ Продукты === k r [Х],
X SI+SO :=ks[X),
SI ---+ So + hv' Быстрый процесс,
Т + Т ---+ 5; ---+ 51 + 50
th'l" th'l'
50 + 50 50
( 136)
(127)
( 128)
(129)
( 130)
(131)
(132)
в случае друrих соединений испускание возбужденных димеров
не наблюдали и СНqчала предположили, что это объясняется
слишком быстрой диссоциацией димера. Имеются, однако, В-еские
доказательства Toro, что перенос энерrии от триплета к триплету
может происходить на расстояниях, значительно превышающнх
расстояние встречи [84 86], т. е. ero можно представить как чи-
стый перенос энерrии:
Т+ Т---+5 1 + 50'
( 137)
rде k h сумма всех процессов первоrо порядка, в которых рас-
ходуются триплетные молекулы [см. уравнения (95) (98)]. При
низких скоростях поrлощения света (Ia) скорость самотушения
ТРИПлетов [уравнение (129)] мала по сравнению со скоростью их
Поэтому в уравнение (135) желательно ввести параметры, свя-
занные с представлением опереносе энерrии от триплета к три-
плету, выраженном уравнением (137). Для этоrо отметим сна-
чала, что импульсная абсорбционная спектроскопия показала,
104
rЛАВА 11
КИНЕТИКА ФОТОЛЮМИНЕСЦЕНЦИИ
105
что константы скорости бимолекулярноrо триплет-триплетноrо
тушения близки к диффузионным значениям [108]. Следователь-
но, произведение kx[ks/(k r + k.)] можно заменить в уравнениЙ
(135) произведением Peke, rде ke бимолекулярная диффузион
ная константа скорости, а Ре вероятность Toro, что при встрече
двух триплетных молекул в конце концов получается возбужден-
ная синrлетная молекула и синrлетная молекула в основном со-
стоянии. Тоrда уравнение (135) можно записать в следующем
виде;
8/rpr == + Pckcl а (qут:)2.
( 138)
лекул при этом возрастают, поэтому на основании уравнения
(138) трудно предсказать, как будет изменяться с температурой
эффективность замедленной флуоресценции типа Р. При крайне
низких температурах и в очень жестких растворителях константа
kc чрез ычайно мала, и эффективность замедленной флуорес-
ценции, как показывает опыт, пренебрежимо мала даже в тех
случаях, коrда скорость поrлощения света столь велика, что в
жидкости ей соответствуют весьма высокие эффективности за-
медленной флуоресценции. Однако если увеличить концентра-
цию вещества II, следовательно, скорость поrлощения света, то
для некоторых соединений удается наблюдать замедленную
флуоресценцию даже в жесткой среде. Экспериментальные дан-
НЫе, полученные разными авторами, несколько противоречат
друr друrу. Возможно, это объясняется тем, что физические
свойства замороженноrо стекла сильно зависят от ero состава, и
не всеrда можно быть уверенными в том, что вещество пол-
ностью перешло в раствор. Кроме Toro, замедленную флуорес-
ценцию типа Р в жестких средах не всеrда леrко отличить от ре-
комбинационной замедленной флуоресценции (см. раздел 1, В, 6),
поскольку последняя может возникать подвухфотонному меха-
низму, включающему последоватеЛLное поrлощение двух кван-
тов света, и интенсивность ее поэтому может оказаться пропор-
циональной квадрату интенсивности возбуждающеrо света.
Замедленную флуоресценцию в жестких средах, обусловлен-
ную переносом энерrии от триплета к триплету, впервые наблю
дал Чарнецкий [116], исследовавший нафталин в твердом поли-
метилметакрилате. Мюэль [117], изучая растворы бенз-[а]-пирена
при 77 К, установил, что интенсивность замедленной флуорес-
ценции пропорциональна квадрату интенсивности возбуждаю-
щеrо света и экспоненциально затухает с временем жизни, рав-
ным половине времени жизни триплета. Он предположил, что
замедленная флуоресценция возбуждается в процессе переноса
энерrии от триплета к триплету, аналоrичном представленному
уравнением (137).
Адзуми и Мак rлинн [118, 119] исследовали замедленную
флуоресценцию нескольких ароматических уrлеводородов в
эфир-пентан-спиртовых стеклах при 77 к:. Они нашли, что хотя
фосфоресценция затухала экспоненциально (или приблизительно
экспоненциально), замедленная флуоресценция моrла быть
представлена в виде суммы двух процессов первоrо порядка, бо-
лее быстрый из которых имел время жизни значительно короче
половины времени жизни фосфоресценции. Они предположили,
что диффузией в стеклообразной среде можно пренебречь, и объ-
яснили замедленную флуоресценцию прямым резонансным пере-
носом энерrии между триплетами, т. е. переносом энерrии от три-
плета к триплету на расстояниях, значительно превышающих
После выключения возбуждающеrо света концентрация трипле-
тов снижается экспоненциально с временем жизни 1:' == l/k h . По-
скольку скорость испускания фосфоресценции (1 р == kр[Т])
всеrда пропорциональна концентрации триплетов, она снижается
по тому же закону, что и концентрация триплетов, а именно
/ р == /g ехр ( '/1:'). (139)
Скорость испу;:кания замедленной флуоресценции [см. формулу
(134)] в любои момент времени пропорциональна текущей кон-
центрации триплетов в квадрате и, следовательно, после выклю-
чения возбуждающеrо света уменьшается по закону
/DF == / p [ехр( '/1:')]2 ==/ p ехр( 2t/1:'). (140)
Таким образом, интенсивность замедленной флуоресценции тоже
должна затухать экспоненциально, но со временем жизни, рав-
ным половине времени жизни фосфоресценции. Действительно,
этот вывод подтвердился на примерах фенантрена в этаноле [46].
аценафтена, бензантрацена, флуорантена и пирена в жидком
парафине [115] и красителей в этаноле при низкой температуре
[36]. В жидком растворе фосфоресценция обычно rораздо сла-
бее замедленной флуоресценции, поэтому измерения времени
жизни последней являются удобным способом определения вре-
мени жизни триплетов в жидкости. Если в одном и том же рас-
творе, освобожденном от кислорода, измерить 1:'DF (==1:'/2), f)/rpf
и/а и независимым способом определить rpt, то, пользуясь урав-
нением (138), можно получить значение вероятности Ре (подроб-
нее об этом и друrих приложениях замедленной флуоресценции
см. в rл. IV).
3. Замедленная флуоресценция типа Р в жестких
средах
ПО мере понижения температуры раствора увеличивается
NO вязкость и уменьшается константа скорости ke, вхоДящая
в уравнение (138). Времена жизни большинства триплетных мо-
106
rЛАВА II
КИНЕТИКА ФОТОЛЮМИНЕСЦЕНЦИИ
107
расстояние встречи. Они не выяснили, однако, какой именно про-
цесс лимитирует скорость и отвечает за большое время жизни
за медленной флуоресценции.
Дюпюи [120] не обнаружил замедленной флуоресценции хри-
зена, нафталина и фенантрена в некоторых кристаллических yr-
леводородных матрицах, но зареrистрировал ее в присутствии
небольших количеств бензола. По ero предположению, эта осо-
бенность обусловлена образование димеров в результате кон-
центрации флуоресцирующеrо уrJIеводорода в «островках» бен-
зола, которые образуются, коrда кристаллизующаяся матрица
«выталкивает» бензол. Дюпюи, как и Адзуми и Мак-rлинн, пред-
положил, Что диффузией в стекле можно пренебречь и Что имен-
но поэтому не наблюдается тушения кислородом. Однако оста-
лось невыясненным, какой процесс определяет время жизни за-
медленной флуоресценции. reTeporeHHbIe матрицы исследовали
также Мак-rлинн и сотр. [121]. В случае пирена в чистых изо-
пентановых стеклах испускалась только фосфоресценция, но
если вводили небольшие количества воды, то получившиеся слеr-
ка туманные стекла испускали как фосфоресценцию, так и за-
медленную флуоресценцию. При средних концентрациях в З8-
медленной флуоресценции присутствовали полосы мономера и
полосы димера, причем интенсивность первых была пропорцио-
нальна квадрату интенсивности возбуждающеrо света, а интен-
сивность последних первой ее степени. Полосы димера Мак,
r линн и сотр. приписали сначала долеоживущему возбужден-
ному димеру, а позднее кристалликам пирена. Очевидно, Ta
кие reTeporeHHbIe стекла являются слишком сложными систе-
мами и. для 'Toro I чтобы понять полученные результаты и, в част-
ности, решить, не обусловлены ли микрокристаллами вещества
некоторые друrие эффекты, требуются дополнительные исследо-
вания.
Подробные кинетические данные были получены Паркером
[84], изучавшим фенантрен в прозрачных твердых стеклах при
77 К. Спектр замедленной флуоресценции концентрированноrо
раствора в эфир пентан-спиртовой смеси оказался идентичным
спектру быстрой флуоресценции, а интенсивность пропорцио
нальной квадр-ату интенсивности возбуждающеrо света. Замед-
ленную флуоресценцию испускали и Суспензии тонкокристащ!И
ческоrо фенантрена в изопентане при 77 К; спектр ее был подо
бен спектру быстрой флуоресценции кристаллов, но Отличался
от спектра, получавшеrося в прозра';IНОМ стекле. Кроме Toro, ее
интенсивность оказалась пропорциональной первой (а не вто-
рой) степени интенсивности возбуждающеrо света. Поэтому Пар
кер сделал вывод, что заМедленная флуоресценция стекла обус-
ловлена не мелкими кристалликами, а истинным раствором фе
нантрена. Предположение о том, что замедленная флуоресцен-
ция возбуждается при рекомбинации, следующей за фотоиониза-
цией триплетноrо состояния, было oTBeprHYTo на основании опы-
тов, в которых изменял ась длина волны возбуждающеrо света.
Было установлено, что при полном поrлощении света скорость
.---.
"-
C
......
i;:
I::i
......
.......
s::
...>
1.0 1,5
Время, с
Рис. 32. Затухание замедленной флуоресценции 8 жесткой среде [84].
Фенантрен в эфнр-пентан-спнртовом стеКле прн 77 К; скорость поrлощения света (313 ИМ)
.1O 5 эйиштейи{(л'с)
0.5
2,0
испускания замедленной флуоресценции (/DF) подчиняется сле-
дующему закону:
2
/ DF ос /088,
(141)
rде 88 коэффициент поrашения OCHoBHoro состояния. Из меха-
низма, включающеrо прямое поrлощение света триплетными со-
стояниями, следует соотношение
/ DF ос / eT' (142)
Полученные результаты требуют, чтобы при всех длинах ВОЛН
ев было пропорционально 8т, что маловероятно.
Хотя фосфоресценция затухала по экспоненциальному за-
кону со временем жизни более 3 с, затухание замедленной флуо-
ресценции было неэкспоненциальным, а ero начальная скорость
в несколько раз превышала скорость затухания фосфоресценции
(рис. 32). Интенсивность замедленной флуоресценции была про-
порциональна квадрату интенсивности фосфоресценции (а также
пропорциональна квадрату интенсивности быстрой флуоресцен-
ции). Само по себе это не доказывает, что замедленная флуорес-
ценция возникает при триплет-триплетной анниrиляции, а про
сто свидетельствует о том, что один ее квант появляется в ре-
108
rЛАВА 11
I<ИНЕТИI<А ФОТОЛЮМИНЕСЦЕНЦИИ
109
зультате ПOI'лощения двух квантов возбуждающеrо света. Дока-
зательством участия триплетов служат измерения скорости ро-
ста интенсивности замедленной флуоресценции (рис. 33). Ес.r;и
возбуждающий свет на короткое время (около 1 с) выключается,
а затем включается снова, то интенсивность замедленной флуо-
ресценции быстро достиrает значения, близкоrо к максималь-
ному, а затем растет rораздо медленнее, пока не достиrнет мак-
СИМУl\Iа. Вклад начальноrо быстроrо роста тем меньше, че!vl
Таблица 9
Влияние растворителя на эффективность замедленной флуоресценции
фенантрена при 771(
Скорость Время
поrлощення ef!Vf el(!Vf! а) жизни
Растворитель Жесткость света, триплета,
10"!ш с
эйиштейи f(л. с)
ЕРА Низкая 6,1 0,0041 а 67 3,6:t0,1
1 5,8 0,0038 б 66
Этанол 7,6 0,0011 б 14 3,7 хО,2
Жидкий парафин 6,7 0,00047 а 7 3,4хО,2
РММ Высокая 7,3 0,00012 а 1,6 2,9
7,8 0,00013 б 1,7
а насыIеиныый воздухом.
б Освобождеиный от воздуха. ( 2 б )
ЕРА смесь этиловоrо эфира (2 объема), изопентана (2 объема) и этаиола о ъема.
Р ММ полиметилметакрилат.
Вvем,я,с
Рис. 33. Возrорание замедленной флуоресценции в жесткой среде [84].
Фенантрен в эфир-пентан'спиртовом стекле при 77 К. Указана продолжительность Пред-
шествующеrо периода темноты.
ствии тех пар триплетов, которые при возбуждении образоовались
на расстояниях, не превышающих расстояние взаимодеиствия;
при этом задержка в испускании соответствует тому времени, ко-
торое необходимо для Toro, чтобы триплеты путем враще!fИЯ
образовали конфиrурацию, блаrоприятствующую взаимодеист-
вию. Количественная обработка результатов показыва т, что
первый механизм потребовал бы расстояний по крайнеи мере
около 30 А, а второй превышающих 15 А.
Возможно, что в сильно вязких средах диффузионное и вра-
щательное движения молекул происходят одновременно и при-
мерно в одинаковой степени затруднены, поэтому систему нужно
ОПИСЫВilТЬ некоей комбинацией обоих механизмов. Нестационар
ные условия независимо от Toro, обусловлены ли они медленной
диффузией или затрудненным вращением, вероятно, часто встре-
чаются в тех случаях, коrда фотолюминесценция возникает в ре-
зультате бимолекулярноrо процесса в стеклообразной среде. Для
количественноrо описания таких систем необходимо применить
кинетику переходных процессов (см. также раздел II, Б, 3)[84,87].
4. АннuzиЛЯЦUQнная замедленная флуоресценция
Суммарная СКорость исчезновения триплетных частиц в жид-
ком растворе, не содержащем друrих триплетных частиц, равна
сумме скоростей чеТЫрех моно молекулярных [см. уравнения
(95) (98)] и бимолекулярных процессов. Последние включают
образование возбужденноrо димера [уравнение (129)], непосред-
ственное образование возбужденноrо мономера [уравнение (137)]
продолжительнее предшествующий период темноты, и если этот
период достаточно велик для Toro, чтобы концентрация трипле-
тов упала до пренебрежимо низкоrо уровня, то замедленная
флуоресценция растет примерно экспоненциально со скоростью,
которая лишь незначительно ниже скорости роста концентрации
триплетов, измеряемой по фосфоресценции. Эти результаты xo
рошо соrласуются с представлением о том, что замедленная
флуоресценция возникает в результате взаимной анниrиляции
соседних триплетных молекул [84]. Лимитирующим процессом
является либо диффузия, либо вращение триплетных молекул;
с возрастанием жесткости стекла снижается эффективность ТРИ-
плет триплетной анниrиляции, мерой которой служит отноше\ше
8/ (q;j/a) (табл. 9).
Эти результаты Паркер интерпретировал в рамках представ-
ления о дальней триплет-триплетной анниrиляции, осуществляю-
щейся по одному из двух возможных механизмов. Первый из них
предполаrает медленную диффузию и установление HeOДHOpo: -
Horo распределения триплетных молекул в результате их взаи
модействия. Cor ласно второму механизму, диффузия незначи-
теЛьна, а замедленная флуоресценция возникает при взаимодей-
110
rЛАВА !J
I<ИНЕТИI<А ФОТОЛЮМИНЕСЦЕНЦИИ
111
k C [3A]2 k h [3A],
и эффективность замедленной флуоресценции выразится урав-
нением, аналоrичным уравнению (138), а именно
е == f (fJtPa k c 1 a (<Pt't')2. (146)
Высокому значению е будут способствовать низкая вязкость рас'
твора (высокое значение kc), высокая вероятность образования
синrлет,возбужденных молекул Ра И большое время жизни три,
плетов. Если два соединения имеют одинаковое время жизни
триплетов, то более высокое значение е будет иметь то из них,
у KOToporo больше значение (fJt<pi. Значение е, очевидно, будет
максимальным у TaKoro соединения, для KOToporo <Р!:::::: '/3 И
(fJt == 2/3. . \
Чтобы найти выражение для максимально возможной. эффек
тивности квадратичной замедленной флуоресценции, мы ДОлжны
установить определенный предел для Toro вклада квадратичной
rибели триплетов, который мы еще можем допустить. Пусть
kc [;;AJ2:::::: i k h [ AJ,
(145)
т. е. скорость исчезновения триплетов в результате анниrиля.
I
ции составляет s скорости rибели триплетов по первому порядку.
Тоrда условие стационарности можно записать в виде
/a<Pt==k h [3А] + k c [3A]2:::::: 1,2k h [3A] (148)
или с учетом уравнения (147)
/ a<Pt == 0,24k / kc == 0,24/( т;2 kc)' (149)
Так, если некое вещество растворено в этаноле при комнатной
температуре [kc == 0,6.1010 л/(моль,с)] И имеет время жизни три-
плетов 5 мс, то предел будет достиrнут при / a(fJt, приблизительно
равном 2.10 6 эйнштейн/(л,с). Уравнение (146) не может дать
в этом случае правильноrо значения эффективности замедлен-
ной флуоресценции, но ее можно найти, подставив в уравнение
е === <PtPakc [3 А]2/ / а (150)
соответствующие параметры из уравнений (147) и (149). Тоrда
e==*Pa(fJf<Pt. (151)
Следовательно, при достаточно большом / а (с y eTOM пр дель-
ных условий) значение е не зависит ОТ скоростеи реакции ТРИ-
плетов. Максимальное значение в, равное 0,02, будет иметь со-
единение, у KOToporo Ра == 1,0 и СР! == (fJt == 0,5.
Коrда скорость поrлощения света увеличивается, скорость
триплет триплетной анниrиляции (k a [3A]2) в конце концов ста-
новится большой по сравнению с k h [3A]. е будет увеличиваться
значительно медленнее, чем предсказывает уравнение (146), и
кривая rибели триплетов будет содержать все большую долю
компоненты BToporo порядка. Наконец, при очень высоких ско-
ростях поrлощения света k a [3A]2 станет очен большим. и кри-
вая rибели триплетов будет в основном кривои BToporo порядка.
Замедленная флуоресценция в этих условиях называется анни-
еиляционной ЗШr1едленной флуоресценцией.
В предыдущих расчетах [уравнение (l51)] мы не учитывали
те синrлет-возбужденные молекулы, образовавшиеся при трип-
лет-триплетной анниrиляции, которые возвращаются в триплет-
ное состояние, так как при низких скоростях поrлощения света
они составляют лишь малую часть первоначально получившихся
триплетов. Однако это уже не так при больших скоростях по-
rлощения света, коrда замедленная флуоресценция контроли-
руется анниrиляцией. В этих условиях анниrилируют все три-
плеты, и эффективность замедленной флу ресценции опреде-
ляется выражением
8 ==' (fJf [ Pa<Pt + (Pa(fJt)2 + (Pa<Pt)3 + . . . ] . (152)
И, возможно, образование друrих продуктов (см. раздел IV, Б, 3).
Мы будем выражать сумму констант скорости мономолекуляр
ных процессов через мономолекулярную брутто-константу k h ,
а сумму констант скорости бимолекулярных процессов через
бимолекулярную брутто константу ka. Тоrда скорость исчезнове
ния триплетных молекул соединения А определяется выражением
d [3A]/dt == k h [ЗА] ka [3А]2. (143)
Квадратичная зависимость интенсивности замедленной флуоре
ценции типа Р будет иметь место, коrда скорость поrлощения
света оrраничена значениями, при которых второй член в правоЙ
части уравнения (143) незна чителен по сравнению с первым.
Целесообразно выразить предельные ЗНr\чения через молекуляр-
ные пара метры и выяснить, при каких значениях этих пара мет-
ров эффективность замедленной флуоресценции будет наиболее
высокой. Введем множитель Ра вероятность Toro, что анниrи
ляция двух триплетных молекул в конце концов приведет к об-
разованию синrлет'возбужденной молекулы. Тоrда скорость об
1
разования последних будет равна "2 Paka[3AJ2. Предположим
для простоты, что триплет триплетная анниrиляция контроли-
руется диффузией, т. е.
ka == kc == 8RT/ 000rJ. (144)
Тоrда в случае квадратичной зависимости замедленной флуо-
ресценции
(147)
112
rЛАВА 11
КИНЕТИКА ФОТОЛЮМИНЕСЦЕНЦИИ
113
При Ра == 1 максимальное значение 8 равно 0,17, коrДа IVt ===
== 0,59, 'Р! == 0,41. В случае nРЯlrюео возбуждения более высокое
значение эффективности замедленной флуоресценции типа Р не-
возможно.
Хотя при выСоких скоростях поrлощения света интенсивность
замедленной флуоресценции типа Р уже не пропорциональна
квадрату скорости nоелощения света, она все же пропорцио-
налЫiа квадрату интенсивности испускания Тl --+ So, так как по-
следняя всеrда пропорциональна [ЗА], а интенсивность замедлен-
ноЙ флуоресценции пропорциональна (3А]2. Таким образом, при
высоких значениях 1 а интенсивность замедленной флуоресценции
типа Р возрастает за счет интенсивности фосфоресценции. В кон-
це концов, коrда замедленная флуоресценция начинает контро-
лироваться анниrиляцией, UftTeHcU8HOCTb замедленной флуорес-
ценции т.ипа Р будет пропорциональна lа, а интенсивность фос
форесценции пропорциональна (Ia) '/'.
Практически очень важно иметь возможность определить на
опыте те условия, при которых скорость триплет-триплетноЙ ан-
ниrиляции возрастает настолько, что вносит заметные отКлоне-
ния в квадратичную зависимость замедленноЙ флуоресценции
типа Р. Поэтому мы рассмотрим, каким будет влияние данной
доли триплет-три[тетной анниrиляции на форму кривой зату
хания замедленной флуоресценции и на форму rрафика «квадра-
тичной» интенсивности. Коrда возбуждающиЙ свет перекрыт,
скорость rибели триплетов определяется уравнением (143), и все
это время скорость испускания замедленной флуоресценции
дается выражением
I DP == IVfPa k a[3A]2. (153)
Дифференцируя уравнение (153) и делая подстановку из ypaB
нения (143), получаем
d! DP/dt == 2k h ! ЛР (ka/PaIVf)'/' (21 ы)'/'. (154)
и иа уравнения (153) получаем
IЪF == PaIVf я 2 k / ka
k ' == Rk h (PaIVf/2/ F)'/"
Подставляя это в уравнение (155), имеем
[ /DP ] 21 [ 1+1«/DFI/ p)'/' 1 == 2k t.
lп n 1 + R h
/DP
Ясно, что при Я, равном нулю, IDF (меньшается экспоненциаль-
но со временем жизни 'tDF, равным 12kh, как описывалось ранее,
и в этих условиях rрафик
уравнения (160) в зависи-
мости от времени в едини-
цах 'tDF будет иметь наклон
1 (прямая линия на
рис. 34). Отклонения от экс-
поненциальности для трех
друrих значений R хорошо
заметны (см. друrие кривые
на рис. 34). Видно, что при
R == 0,2, как это было при
нято В вышеприведенных
расчетах, rрафик в течение
двух периодов полур спада
очень близок клинеиному,
но наклон ero почти на
10% меньше, чем для ли-
нейноrо распада. Даже ко-
rда R велико (равно 1), кри-
визна rрафика, взятоrо в
пределах одноrо времени
жизни, сравнительно мала,
но «время жизни», получен
ное из этой части кривой,
будет составлять только
около 60% экспоненциаль-
Horo времени жизни. При R == O кривая заuтухания прибли
жается к кривой анниrиляционнои замедленнои флуоресценции.
В методах, обычно используемых для измерения кривых зату-
хания, трудно получить точные rрафики за времена большuе двух
времен жизни, и учетом труд ости обнаружения малои кри
визны, получаеМОII при большои доле u rиuбели по второму по
рядку, лучше делать измерешш по краинеи мере с двумя интен-
сивнастями возбуждающеrо света, отличающимися друr от друrа
ил:i
Интеrрирование дает
lп [ / DF ] 2 lп r kh + (ka/Pa<Pf)'/' (2/ пР)'/' ] == 2k t
/ p . k h + (ka/PaqJf)'/z(2/ p)'/2 h ,
rде I p интенсивность в момент времени t == О, т. е.. в при
сутствии возбуждающеrо света. Теперь допустим, что Отноше
ние скорости rибели триплетов по второму порядку к скорости
rибели по первому порядку при t == О есть Я, т. е.
ka [3АО]2 == Rk h [ЗАО].
(155)
Тоrда
(156)
(157)
[ЗАО] == Rk;)ka,
(158)
(159)
(160)
1,O
,.....
....
,,
....
'k. 2 О
Q .
....
........
с:
,....,
З.О
2k h t.
Рис. 34. Кривые затухания замедлен-
ной флуоресценции типа Р для различ.
ных отношений (1<) начальных скоро-
стей затухания BToporo и nepBoro по-
рядков.
114
rЛАВА 11
КИНЕТИКА ФОТОЛЮМИНЕСЦЕНЦИИ
115
примерно в три раза. Если получаемые при этом времена жизни
совпадают с точностью до 5 %, то можно с уверенностью сказать,
что значения, полученные при более низкой интенсивности, близ-
ки к истинным. Следует отметить, что при выводе уравнения
R (160) и построении кривых
0.01 0,04 0.08 ОД 0,16 0,20 рис. 34 мы не учитывали долю
получившихся при триплет
триплетной анниrиляции синr-
летвозбужденных молекул, ко-
торые возвращаются в трИплет-
ное состояние [см., например,
уравнение (152)], и это долж-
но было внести определенную
ошибку. Kor да PaqJt мало, эта
ошибка мала при всех значе-
ниях R, но ес.'IИ PaqJt велико,
то ошибка значительна при R
больше единицы.
При низких скоростях об-
разования триплетов (1 aqJt) эф-
фективность замедленной флу-
оресценции 8 [при преобразо-
вании уравнения (138) и за-
мене Paka на Pckc] определяется
выражение I
I е === : (IaqJt), (161)
"2 Parpf<jJt h
т. е. rрафик зависимости 8/ (l/2PaqJfqJt) от ka (I aqJt)! kh будет линей-
ным и будет иметь наклон, равный единице. Форма этоrо rpa
фика для значений R > о может быть рассчитана следующим
образом. Уравнение стационарности во время освещения имеет
вид
Iar:pt === k h [ЗАО] + ka [ЗАО]2 === k h [ЗАО] (1 + R), (162)
с;О,U
+-
;:::. 0.20
0.16
э:.
s:.
" 0,12
Q:
0,08
0.28
"
"
"
"
"
"
"
"
"
"
"
"
"
"
"
"
.-
"
"
"
"
"
/.
.1:
0,04 0,0$ 0,12 0,16 0,20 0,24
(/<0 !1r;)(Jarpt) =R(1 +R)
Рис. 35. Соотношение между эффек
тивНостью замедленной флуоресцен-
ции и скоростью поrлощения света
для условий, коrда существенно за
тухание триплетов по второму по-
рядку.
и при подстановкР. значений из уравнения (157)
(ka! k ) (I асрд == R (1 + R),
а с учетом уравнений (153), (157) и (163)
е R
I+R '
1
"2 Pa<jJf<jJt
для зн а чений R от 0,01 до 0,2 показана на рис. 35. Видно, что
для значений R вплоть до 0,05 наклон кривой мало отличается
от 1, т. е. замедленная флуоресценция подчиняется квадратич
ному закону. При R === 0,2 (случай, рассмотренный выше) эф
фективность замедленной флуоресценции уже на 30% ниже, чем
предсказывает квадратичный закон.
Таблица 10
Связь между величиной R и соответствующими молекулярным
параметрами при различных степенях от лонения от квадратичнои
зависимости замедленной флуоресценции (рис. 35)
(lafIJt) для ka O.6'IU" Л/(МОЛЬ'С)
1< ka '(la<jJt)
t 1 мс t 10 мс
1,7.10=: 0 8
0,01 0,0101 1,7. 1 8
0.05 0,0525 8,8.10 5 8,8. [0 7
0,1 0.11 1,8. 10 5 1.8. 10 7
0,2 0.24 4,0. 10 4,0.10
в табл. 10 приведены некоторые значения R и k a 't 2 (1aqJt), а
также соответствующие значения /aqJt для этанола при KOM
натной температуре [в предположении, что kc == ka == 0,6 Х
Х 1010 л/(моль,с)] при времени жизни триплетов 1 и 10 мс. Эти
данные и rрафик на рис. 35 позволяют рассчитать .максимально
допустимые значения / aqJt для различных степенеи отклонения
от квадратичной зависимости.
5. Сенсибилизованная за'м'едленная флуоресценция
Тот факт, что в жидком растворе процесс
зD + lA--+ lD + зА
( 165)
получаем
может идти с высокой эффективностью встреч (см. раздел Н, В,
4), означзет, что возможно заселение триплетноrо уровня ак-
цептора А даже при очень низкой концентрации А в растворе
[см. уравнение (118)]. Поэтому можно ожидать, что в растворе,
содержащем D и А, свет, поrлощенный D, вызовет замедленную
флуоресценцию А и для этоrо будут достаточны весьма низкие
концентрации А. Такую сенсибилизованную замедленную флуо-
ресценцию в растворе впервые наблюдали в системе фенантрен
(донор) + антрацен (акцептор) [46] (рис. 36), причем при кон-
центрации фенантрена 1 0 3 М испускание антрацена реrистри-
ровали даже при чрезвычайно низкой ero концентрации порядка
10 8 М. При столь низких концентрациях невозможно наблю,
дать замеДJН:'ННУЮ флуоресценцию типа Р при прямом возбу-
ждении А, и, деЙствительно, в спектрах быстрой флуоресценции
( 163)
(164)
Таким образом, искомую зависимость можно получить, построив
rрафик зависимости величины R/ (1 + R) от R (1 + R). Кривая
116
rЛАВА 11
I\ИНЕТИI\А ФОТОЛЮМИНЕСЦЕНЦИИ
117
rде ер? эффективность образования триплетов донора, kr и
k моно молекулярные брутто константы скорости рясх(}
дования триплетов; они включают псевдомономолекулярные
константы тушения примесями, а также константу скорости k p
излучательной дезактивации.
По первому механизму за процессом (167) следу т перенос
энерrии между двумя триплетами акцептора, которыи происхо-
дит так же, как и для непосредственно возбуждаемой замедлен
ной флуоресценции [см. уравнение (137)]:
3А + 3А lA* + lA Скорость == PAAk c (3А]2,
lA* lA + hv'.
Очевидно, что именно этот механизм осуществляется в случае
всех тех акцепторов, для которых замедленная флуоресценция
типа Р наблюдается при прямом поr лощении возбуждающеrо
СВета.
По второму механизму перенос энерrии происходит между
триплетами донора и акцептора:
3A+3D IA*+lD Скорость == P DA k c [3D] [3А]. (172)
Вообще rоворя, можно ожидать, что оба механизма будут осу-
ществляться одновременно, но процесс (170) будет преобладать
при высокой концентрации акцептора, т. е. коrда время жизни
триплетов донора мало. (и, следовательно, низка их стационар
ная концентрация). Процесс (172) будет преобладать при низ
кой концентрации акцептора, т. е. коrда низка стационарная
концентрация триплетов акцептора, а стационарная концентра-
ция триплетов донора высока. Кроме Toro, может испускаться
замедленная флуоресценция типа Р донора:
3D + 3D ID* + ID Скорость ==" PDDk c [3D]2,
ID* ID + hv".
раствора проявляется только испускание фенантрена. Дальней
шие исследования показали, что можно обнаружить концентра-
ции порядка 10 9 М, используя, например, В качестве донора фе-
нантрен, а в качестве акцептора пирен или бенз (а) пирен (см.
раздел У, Д, 4).
та, за которым следует перенос энерrии на акцептор А:
ID + ID* 3D Скорость == ер?Zф
3D + lA lD + 3А === Pekc [3D] [IA],
3D ID == k [3D],
3А IA == k [3А],
BO Hoвoe ЧUС.,fО, м/(,м-1
3,0 2,8 2,4 2,2 2.0 1,8 1,6
<::!
:t:
:t:
'1.>
с::..
S
::,
<u
.о
6 ",",
I ,
I \
I
,"
(
,
, 5
(
I
,.\ 3
\
Рис. 36. Сенсибилизованная замедленная флуоресценция антрацена [46J.
Все растворы содержали IO 3 М фенантрена в этаноле и следующие концентрацин
аитрацеиа: 1 lO 6 М; 2 5.IO 7 М; 8 !o 7 М; 4 lO 8 М; 5 lO 9 М; 6 быстрая флуо.
ресценция раствора 1 при чувствнтельности в 260 раз меньше. Интенсивность возбужда ю.
щеrо света 313 нм (3,19 MKM I) равна 2,7.lo 9 эйнштейн/(см'.с)
В дальнейшем для простоты мы не будем учитывать образо-
вание промежуто.чноrо продукта Х [см. уравнение (129)] и пред-
положим, что перенос энерrии от триплета к триплету идет в
соответствии с уравнением (137), т. е. непосредственно приво-
дит к образованию синrлетных молекул в возбужденНQМ и в ос-
новном состояниях. Для общности рассмотрения мы будем вы-
ражать все бимолекулярные константы скорости в виде произ-
ведений диффузионной константы скорости kc на вероятность Р
с соответствующим индексом [см. уравнение (138)]. Вообще ro-
воря, имеются два механизма замедленной флуоресценции ак-
цептора. Первоначальная стадия этих механизмов заключается
в заселении триплетноrо уровня донора D при поrлощении све.
(166)
( 167)
( 168)
(169 )
(170)
(171)
( 173)
(174)
Если энерrия триплетноrо уровня акцептора меньше половины
энерrии ero первоrо возбужденноrо синrлетноrо уровня, но
сумма триплетных энерrий донора и акцептора больше, чем
энерrия синrлета акцептора, то процесс (170) энерrетически
118
rЛАВА 11
I<ИНЕТИI<А ФОТОЛЮМИНЕСЦЕНЦИИ
119
С увеличением концентрации нафтацена интенсивность ero
сенсибилизованной замедленной флуоресценции сначаля увели-
чивается (рис. 38), а затем проходит чер з 1\18 ксимум и снова
уменьшается. Первоначальный рост интенсивности COOTBeTCT
вует повышению скорости образования триплетноrо нафтацена
и, следовательно, возрастанию вклада перекрестноrо тушения
триплетов [см. уравнение (172)]. Однако при дальнейшем уве-
личении концентрации нафтацена вследствие тушения умень-
шается время жизни триплетноrо антрацена, а увеличение кон-
центрации триплетноrо наф
тацена не может компенси
ровать уменьшение стацио
нарной концентрации три-
плетноrо антрацена, поэто
му общая скорость процес
са (172) падает. Так как
встречи 3А+3А неэффектив-
ны, то при высоких концен-
трациях нафтацена YMeHЬ
шается и общая интенсив-
ность сенси6илизованной
замедленной флуоресценции.
Таким образом, резуль
татЫ исследования си'Стемы
антрацен + нафтацен ясно
указывают на существова
ние перекрестноrо туше
ния триплетов, и можно
предположить, что тот же
самый механизм имеет место и в друrих системах, для которых
тоже возможен процесс (170). Полная эффективность сенсиби
лизованной замедленной флуоресценции равна сумме эффектив-
ностей сенсибилизованной замедленной ф.rrуоресценции, возбу-
ждаемой в процессах (170) и (172). Мы выразим каждую из
этих эффективностей через параметры, входящие в уравнения
(166) (173). Предположим, что скорость поrлощения света
так низка, что скорости переноса энерrии от триплета к три-
плету [уравнения (170) и (172)] незна чительны по сравнению
с брутто-скоростями процессов первоrо порядка [уравнения
(168) и (169)]. Поэтому для триплетных молекул ДОlIора в CTa
ционарном состоянии имеем
невозможен, а "процесс (172) окажетея. разрешенным. Следова-
тельно, в такои системе нельзя возбудить замедленную флуо
ресценцию типа Р при поrлощении света акцептором, но блаrо-
даря наличию процесса (172) можно вызвать сенсибилизован
ную замедленную флуоресцен
цию. Указанным условиям
удовлетворяет система антра-
цен (донор) + нафтацен (ак-
цептор). Энерrия триплета
нафтацена 1 ,025 MKM 1 [122].
Она HeMHoro меньше половины
энерrии первоrо возбужден-
Horo синrлетноrо уровня
(2, 11 MKM I), но достаточна,
чтобы в сумме с энерrией три-
плета антрацена (1,47 MKM I)
сделать процесс (172) энерrе-
тически возможным.
Эти предсказания хорошо
подтверждаются на опЫте [123].
Так, непосредственно возбуж-
даемая замедленцая флуорес-
ценция типа Р нафтацена
крайне слаба, но антрацен
сильно сенсибилизирует ее да-
же при чрезвычайно низкой
концентрации нафтацена по-
рядка 10 8 М (рис. 37). При
дальнейшем увеличении кон-
центрации нафтацена интен-
сивность замедленной флуо-
ресценции донора (антрацена)
тушится в результате процес-
са (167). Время жизни замед-
ленной флуоресценции антра-
цена (tEp) равно половине времени жизни фосфоресценции (t D )
И подчиняется закону ШтерНi:I ФОJlьмера:
(,;Ep)o/('tEp) 1 == Pekc'; [А], (175)
rде [А] концентрация акцептора (нафтацена), ,; время
жи.зни триплетных молекул антрацена в отсутствие [А]. Было
наидено, что константа скорости тушения близка к диффузион-
ному значению [123]. Так как интенсивность замедленной флуо-
ресценции донора пропорциональна (,;D)2 [см. уравнение (138)],
то интенсивность занедленной флуоресценции антрацена ту.
шится значительно быстрее, 4ем ее время жизни.
360
Д.IIина во,llНЫ,НМ
420 480 540
<:s
:z:
:z:
q,
<:s
ос
Е:
'"
Q
:z:
'"
'"
:z:
'1>
Е:
Р iI с. 37. Сенсчбилизованная за'
медленная флуоресценция нафта'
цена [123].
Все растворы содержали 5.10 5 М аитра
цеиа в этаноле и следующие концентра 11 н"
нафтацена: 1 4.10 8 М: 2 8.IO 8 М.
3 l.5'10 7 М; 4 3.10 7 М; 5 быстра
флуоресценция раствора 4 при чувствитель.
ности в 1000 раз меньше. Скорость Поrло
щения света 2,73 мкм 1 (366 нм) равна
0.4'10 5 эйнштейнf(л'с)'
БОа
iI; 3
$'>
$:!
2
'о;
""
1 X _
1
100
Рис. 38. Влияние концентрации нафта
цена на эффективность замедленной
флуоресценции антрацена (1) и нафта
цена (2) [123}.
(176 )
lачУР === [3D]/,;D,
rде время жизни донора 't D определяется выражением
1/,;й == kf + p<Jkc [А].
( 177)
122
tJ!A13A 11
!\ИНЕТИ!\А ФОТОЛЮМИНЕСЦЕНЦИИ
123
перекрестном взаимодействии триплетов, происходит по экспо
ненциальному закону, но ее вреМЯ жизни будет изменяться от
точки к точке вдоль кривой 3 и будет равно 'tt'tDj('tt + 't D ). ЭТИ
выводы были. подтверждены на системе антрацен нафтацен,
рассмотреннои выше [123J. Тarшм образом, в общем случае
су марная замедленная флуоресценция акцептора будет сум.
мои двух экспонент, одна из которых COOTB TcTByeI' кривой 2,
а друrая кривой 3.
Наконец, если концентрация акцептора и скорость I10rлоще
ния света столь велики, что исчезновение акцептора опреде-
ляется анниrиляцией, эффективность замедленной флуорссцен
ции может достиrать высоких значений. Так если пР == 1
. , 't' t '
'Pt == 1 и РАА == 1, эффективность замедленной ф.ТIуоресценцчи,
контролируемой анниrиляцией, будет равна 0,5. Для сравнения
отметим, что максимальная эффективность замедленной флуо-
ресценции типа Р, возбуждаемой при прямом поrлощении света,
(;оставляет 0,17 {см. уравнение (152)].
Перенос энерrии от триплетов донора к триплетам акuептора
(проu есс 2, рис. 40) или между двумя триплетами ;шцептора
приводит к возбуждению синrлетов акuептора и появлению
сенсиБИЛИЗ0ванной замедленной флуоресценции, длина волны
I
, l
:;; "
"'''' ::r
6 8
...... "
01 'u
\:1 ... ,.
:z:
<D 1\
.'" 1\
, \
" <.; I \
'" '" I 1
1 'u
I I
I \
.Q I \
I \
I
.., О I \
:z: \
<t> ,
'" I \
" I \
:z:
'" 'u I \2
.. 1: I \
, ,
:.: I ,
I ,
I ,
, ....
320 340 350 380 400 450 500 550 БОО
Д-,цна вОАНЫ,НМ Д.Аина вОАНЫ, НМ
6. АнтиСТО1Ссова замедленная флуоресценция и
взаимная сенсибилизация
Перенос энерrии от триплета к синrлету (см. раздел II,
В, 4) может идти при условии, что триплетный у ров ень акцеп-
Тора расположен близко к триплетному уровню донора или
Донор
Рис. 41. С"еlJсиБИЛlIзованная анти-
стоксова замедленна я флуоресцен
ция нафталина в 9тацоле при
72X 30 С [124].
I замедленная флуоресценцня ,o 3 М фе.
нантрена; 2 TO же и j.IO 3 М нафталина;
3 б"lстрая флуоресцеиция растворов I и 2
при !..j'j'ВСТВИ1ельности в 260 раз меньше:
4 спектральное распределение АО 16\'ЖДАЮ.
щеrо света для кривых 1, 2 и 9; скорость по.
rлощеНIIЯ примерно 0,7. !О б 9йнштей"(л.с):
5 быстрая и замрлленНая Флуоресltенция
3.10 3 М нафталнна возбуждаемая светом
313 нм [2'10 6 9ЙНllпейн!(л,с)]; e TO же.
что на КрИi30f'l 5, но чувствительность вышf"
в 100 раз
"
2//,';-
J ' ,, (b) 2....__' /"
D --- -'< / \2
"1 . -!4
,'(....... ............,
, (... 1
'1> 3(а) 2,/ / ",
g i' J ,
11:\ / I "
I 1" '" 1
t: I I ,
I I "
I J ,
I I "
, I ,
f "
Акцептор
А"
g.
::t')
$.
:"=1:
'I>
(,j<U
О(')
по
D
Рис. 42. СенсIfбилизованная анти-
стоксова замедленная флуоресценция
перилена r 125].
Эазн" (дииатриевая соль, 5.10 6 М) н Пе-
рилен (10 6 М) в этаиоле при 220 С. I за-
медленная флуоресценция. возбуждаемая
светоМ 546 им (1,83 мкм 1), скорость поr ло-
щеиия 1.I.l0 5 эйнштейн!(л,с): 2 быстрая
флуоресцеиция при чувствнтельностн
в 1400 раз меиьше.
которой меньше длины волны возбуждающеrо СВета. Такую
сенснбилизованную антистоксову замедленную флуоресценцию
впервые наблюдали в системе фенантрен (донор) + нафтацен
(акцептор) [124] (рис. 41), а впоследствии для ряда аромати
ческих уrлеводородов, сенсибилизованных красите,1JЯМИ [110,
125]. Например, замедленная флуоресценция перилена, сенси-
билизованная эозином к свету с длиной волны 546 нм при ком-
натной температуре, ПОказана на рис. 42. Тот факт, что квант
замедленной флуоресценции; испускаемый такими системами,
несет значительно больше энерrии, чем квант возбуждающеrо
Рис. 40. Механизм сенсибилизованной антистоксовой замеменнои флуо-
ресценции в с.1учае перекрестноrо тушения триплетов р25].
А
лежит ниже ero. Если первый возбужденный синrлЕ'ТНЫЙ уро-
вень донора ниже аналоrичноrо уровня акпептора (рнс. 40), то
триплетный уровень акцептора может заселиться, если свет
поr лощается только донором (в результате процесса 1, рис. 40).
I<ИНЕТИКА ФОТОЛЮМИНЕСЦЕНЦИИ
{27
Елияиие
температуры иа
интенсивность
плета к синrлету (см. раздел II, В, 4). Сенсибилизованная за
медленная флуоресценция типа Е исследована тоже HeДOCTa
точно полно. Очевидно, она должна испускаться (вместе с сен-
сибилизованной замедленной флуоресценцией типа Р) всеми
растворами, в которых акцептор имеет триплетный уровень,
лежащий БJ1ИЗКО от ero возбужденноrо СIIнrлетноrо уровня.
В табл. 11 включены только переходы, характерные для
орrанических соединений. При введении реДI<оземе,ТIЬНЫХ aTO
мов в молекулы появляется новый набор энерrетических ypOB
ней, соответствующий 4f электронам, и число возможных типов
излучательных переходов увеличивается. Об этом кратко упо-
миналось в разделе II, Б, 7; подробнее этот вопрос будет pac
смотрен в разделе у, Д, 3.
Таблица 11
классификация фотолюминесценции оРrанических соединений
Тип
Заl<ои затухания
Зависимость
инТеИСИ8НQСТИ ОТ
скорости поrлоще-
ния возбуждающеrо
света (I о)
Быстрая флуоре-
сценция
Фосфоресценция
СенсиБИЛIIЗОIJан-
ная фосфоре-
сценция
Замедленная ф.1УО
ресценция ти'
па Е
СенснБИЛИJОRа н-
ная замедлен-
ная флуорес
ценция типа Е
Замедленн:!я флvо'
ресценция ти-
па Р
Сенсибилизован-
ная замедлен,
на я флуоресцен
ция типа Р
Рекомбинационная
фосфоресценция
Рекомбинацнонная
замедленная
флуоресценция
Экспоненциальный
Такой же, как н
для [TI]' и эк
споненциальный
(со временем
жизни Т р ) при
низких 10
Тот же
Время жизни == Тр
То же
Время жизни ==
1/ 2T п при ниэ
ких 10' неэкспо-
ненциальныЙ при
высоких 10 или
в твердой среде
а) При высоких [А.]
н низких 1 а вре-
мя жизни==1f 2 'f А
б) При низких [А]
и низких 1 о
время ЖИЗНf1 ==
==ТАТП/(ТА+ТО)
. Н еЭКСl!оненцизш.,.
Hbli1; "асто Mek
ленное затуха-
нне
Тот же
0::.1 о Умеренное умень-
шение
СУ ' 2 при высо- Быстрое ум ень-
ких 10 шение (о::. Т р )
сх 1 а при низ
ких 10
Та же Сложное
» » <Ре/<Рр о::.
о: ехр ( t:"E/R.T)
:. :. Сложное
0::.1; при нн.3- 6/<рр непропор-
ких 'а ционально
сх 1 а при BЫCO ехр ( t:"E/R.T)
кнх 'а
Та же Сложное; в TBep
дой среде при
сх ' низких 'а силь-
при низ но Понижается
KIIX 'о
а) СУ 'а (диссо.
ЦJ1!ЩИЯ син-
rлетов)
2
б) сх '!! при низ-
ких 'а (диссо-
циация три'
плетов)
Такая же, как и
прн рекомби
национноЙ фо-
сфоресценции
Часто растет при
наrреВ8НИИ пo
еле облучения
(термолюмнне-
сценция)
То же
rлава 111
АППАРАТУРА И МЕТОДЫ ЭКСПЕРИМЕНТА
А. ОБЩИЕ ЗАМЕЧАНИЯ
в этой rлаве мы рассмотрим ОСНОВНЫе принципы конструи-
ронания фотолюминесцентных спектрометров и методику экс-
перимента при их ИСПОJ!ьзовании. Это делается для Toro, чтобы
химик Mor оценить относительные достоинства нродажных при
боров для своей работы или при желаюш изrотовить прибор
самостоятельно. В прошлом возникла некоторая путаница
в назва ниях различных приборов. Как отметил ПринrсrейМ
[126], для измерения интенсивности флуоресценции МОжно ис
пользовать любой фотометр, но такие фотометры назьшались
либо флуорометрами, либо флуориметрами; первое название ис-
пользовалось в основном в США, а второе в Европе. Так как
флуорометрами обычно называли приборы для измерения Bpe
мени жизни флуоресценции, стоило бы оставить наименование
флуориметр для приборов, предназначенных для измерения ин
тенсивности флуоресценции. Однако Принrсrейм предложил для
последних название флуорофотометр, а прибор, вк.ТIЮЧ<.lющиЙ
элемент, дисперrирующий свет, должен быть назван спектро
фJIуорофотометр. С друrой стороны, Боуман, Колфилд и Юден
френд [127] использовали термин «спектрофотофлуорометр».
В Европе такие приборы называют сrтектрофлуорнметрами.
В настоящее время ситуация осложняется тем, что созданы
приборы, специально предназначенные для измерения фосфо-
ресценции, и их называют спектрофосфориметрами. Приставка
«спектра» указывает на то, что в приборе имеется по краЙней
мере один спектрометр. В этой книrе использованы наимено
вания «флуориметр» И «спектрофлуориметр > для приборов,
предназначенных для измерения интенсивности флуоресценции.
Приборы для измерения времени жизни флуоресценцин имеют
совершенно иную конструкцию, и их мы будем назыRтьь флуо-
рометрами. Конструкция флуориметров и спектрофлуориметров
обычно такова, что они позволяют измерять обишю фотолюми
несценцию образца независимо от времени жнзни. Приборы,
предназначенные для отделения длительной люминесценции от
КОРОТкоживущей, обычно можно применять для измерения как
АППАРАТУРА И МЕТОДЫ экСПЕРИМЕНТА
129
интенсивности, так и времени жизни дол?оживУlцей Jjюминес
ценции, и здесь будет использовано одно и то же название для
приборов обоих назначениЙ, т. е. фосфориметр или спектрофос
фориметр.
Так как спектрофлуориметрия является развитием и усо-
вершенствованием флуориметрии, мноrие основные принципы
обоих типов приборов одинаковы. Поэтому мы рассмотрим
в первую очередь ЭТИ типы приборов, 3 В дальнеЙшем сбсудиы
Детектор
'?]' &. Ф,уорещен.и.
I\:
МОНОХР4Матор
флуоресценции
r' >
r\'
Монохро.матор НстОЧНUN
80эоуждающero
света
Рис. 44. Общая схема спектрофлуориметра [150].
I
дополнительные факторы, относящиесн и к спектрофосфори-
метрам, и к флуориметрам. КаждЫЙ флуориметр или спектро
флуориметр содержит три основных блока: 1) ИСТОЧНIIК света
для возбуждения флуоресценции образца, 2) держатель об-
разца, 3) детектор для наблюдения или измерения флуоресцен
ции. Приборы отличаются по точности определения длины
волны и интенсивности возбуждающеrо света, по точности BЫ
деления длин волн испускаемот'о света, по чувствительности
и точности, с КОТОрОЙ можно измерить выде,lIяе'\1УЮ полосу
света. Для выделения длин волн во флуориметрах с фильтрами
в учках возбуждающеrо света и света флуоресценции YCTaHaB
пивают светофильтры; в спектрофлуориметрах оба пучка или
один из них пропускают через МОlIохроматор. Поэтому спектро-
флуориметр можно использовать для измерения спектральноrо
распределения света флуоресценции, т. е. спектра испускания
флуоресценции, или для измерения заВИСИМОС1И интенсивности
флуоресценции от длины волны возбуждающеrо света, т. е.
спектра возбуждения флуоресценции.
На рис. 44 показана схема типичноrо спектрофлуори-
метра. Он состоит из источника, имеющеrо непрерывный спектр
l"
5 daK, 1281
130
rЛАВА III
АППАРАТУРА И МЕТОДЫ ЭКСПЕРИМЕНТА
131
в видимоЙ и ультрафиолетовоЙ областях, l\IOHOXpOMaTopa для BЫ
делеНИjJ требуемоЙ длины волны возбуждения, держателя образца
l1 вторшо монохроматора с Фотоумножителе:vr для аliализа cBera
флуоресц нции. С помощью TaKoro прибора можно выделять
узкую полосу длин волн возбуждающеrо света и измерять
спектр флуоресценции обрззца, можно также устанавливать
l\юнохроматор флуоресценции на длину волны полосы флуорес
ценции вещества и наБЛJOдать ИЗl\Iенение ее интенсивности в за
ВИСИl\lОСТИ от длины волны возбуждаlOщеrо света. В ПРИlI! ипе
это просто, но на практике при такоЙ конструкции очень трудно
достиrнуть высокоЙ чувствительности, так как I\IHOrO света Te
ряется. Свет источника раснространяется во всех направлениях,
и только небольшая доля еI"O попадает в первыЙ монохроматор.
Из этоЙ доли лишь узкая полоса длин волн направляется на
образец, которыЙ чаще Bcero поrлощает не более 1 % света,
остальная же часть пропускается и не используется вовсе. Свет
флуоресценции тоже распространяется во всех направлениях, и
только небольшая ero часть собирается вторым монохроматором.
Этот свет снова дисперrируется, и ОПять выделяется узкая по
лоса длин волн, так что окончательная интенсивность света, па
дающеrо на детектор, составляет очень малую долю от света,
испускаемоrо источником. Такие потери света уменьшают не-
сколькими способами. Очевидно, лучше использовать наиболее
мощную лампу, наиболее чувствительныЙ детектор и по воз-
можности большие монохроматоры. Но даже с очень большими
и дороrими монохроматорами чувствительность будет OCTaBaTЬ
ся довольно низкоЙ, если измерения проводить при очень узких
щелях на обоих монохроматорах. К счастью, чувствительность
можно увеличить также использованием широких щелеЙ на том
или друrом монохроматоре. Например, Паркер [731 получил xo
рошо разрешенные спектры возбуждения антрацена при концен-
трации менее 10 8 вес. ч. с помощью прибора, имеющеrо MOHO
хроматоры с малоЙ светосилоЙ, но с широкоЙ щелью у моно-
хроматора флуоресценции. Аналоrичные чувствительность и
разрешение можно получить при измерении спектра флуоресцен
ции при широких щелях монохроматора возбуждения. Иноrда
вместо двух монохроматоров можно использовать фильтры либо
на возбуждении, либо на флуоресценции. Со ртутной лампой и
фильтрами в KaHaJТe возбуждения света можно получить rораз
до большую интенсивность, чем при выделении света с помощью
большоrо монохроматора, Как будет показано далее, наиболее
серьезны трудности, связанные с оrраниченной интенсивностью
возбуждающеrо снета в области длин волн короче 300 нм. Эта
область является самоЙ важноЙ, так как большинство простых
орrаН,ических соединениЙ не поrлощает свет в длинноволновой
области и для получения адекватной чувствительности прихо
дится примиряться С недостаточноЙ избирательностью фильтров.
Эксперименты с одним монохроматором проводились мноrими
исследователями [102, 128 1311. В следующих rлавах будут
описаны примеры применения приборов с одним И двумя MOHO
хроtllаторами. В разделе «Источники света» приводятся нри
мерные значения интенсивностей возБУЖД31Ощеrо снета, кото-
рые получаются при использовании монохроматоров и филь-
тров.
Б. МОНОХРОМАТОРЬ1
1. П рИllципы работы
Принципы работы монохроматора будут рассмотрены до-
статочно подробно. Это делается для Toro, чтобы читатель cMor
оценить сравнительные достоинства различных продажных при-
боров и наилучшим образом использовать прибор, выбранный
для данноЙ конкретноЙ цели. Конструирование монохроматоров,
особенно высококачественных, требует учета мноrих факторов,
и это выходит за пределы данноЙ ЮIИrи. Можно, однако, упомя
нуть, что Джонс И Ральф [132] описали конструкцию и характе-
ристики больших призменных (водяных) и решеточных MOHO
хроматоров, позволяющих получать очень высокие интенсивно-
сти света для использования в фотохимических и фотобиолоrи-
ческих исследованиях.
Монохроматоры всех систем конструируются по следующей
схеме (рис. 45): входная щель W 1 реrулируемой ширины, кол
.1Иl\ атор М ! (это может быть зеркало или линза), дисперrирую-
щии элемент G (дифракционная решетка или призма), зеркало
или линза М 2 дЛЯ фокусирования дисперrированнOI'О света и
выходная щель W 2 реrулируемоЙ ширины. Будем для простоты
предполаrать, что высота щелеЙ W 1 и W 2 одинакова и фокусные
расстояния зеркал М! и М 2 тоже одинаковы; для MOHoxpOMaTO
ров, используемых в спектрофлуориметре, это условие обычно
соблюдае!ся. Свет от ИСТОчника S проходит через ЛИНЗУ LI
К ВХОДtЮИ щели W 1 монохроматора. Пучок света, выходящиЙ
из щели W 1 , делается параллсльным с помощью коллиматора
М 1 и проходит К дисперrирующему элементу а. Свет различных
длин волн выходит из G под слеrка различными уrлами, Е дис-
перrированныЙ свет фокусируется зеркалом или линзой М 2 на
плоскость VR так, что каждая длина волны дает из()бражение
входной щели в некоторой точке плоскости V R. Изображения,
СО01 ветствующие различным длинам волн Б пучке света От ис
точника, образуют, таким образом, ПОJlОСУ света, изменяюще
rося по длинам волн от одноrо края VR к друrому, т. е. спектр
источш!ка. Выходная щель W 2 располаrается в некоторой точке
плоскости VR и таким образом выделяет узкую полосу длин
5*
132
rЛАВА III
АППЛРАТУРА И МЕТОДЫ ЭКСПЕРИМЕНТА
133
А. Решетка
инфракрасной области (1000 нм) до коротковолновоrо края
кварцевоЙ ультрафиолетовоЙ области (200 нм). Следует отме-
тить, что при сравнении достоинств призменных приборов
с решеточными необходимо учитывать конкретную спектральную
область.
Если а измеряется в радианах, то расстояние m вдоль VR,
занимаемое единичноЙ полосоЙ длин волн, определяется как
волн, которые проходят к образцу (или к детектору) через
друrую линзу L 2 иЛи через друrую оптическую деталь. При
вращении дисперrирующеrо элемента G спектр VR движется
поперек выходной щели, так что каждая длина BO.'IHbI ПОоЧе
редно попадает на образец или детектор. Длину волн,,] можно
jИ't
s
t
m==:a.f,
(186 )
G
М!
rде f фокусное расстояние зеркала М 2 . Величина m линей
ная дисперсия монохроматора выражается в миллиметрах на
нанометр. Изrотовители решеточных приборов приводят либо
величину т, либо (чаще) ее обратную величину. R прибора
с призмами обычно указан rрафик 11т (и,Т]и веЛIlЧННЫ, кратнои
ей) в зависимости от д,Т]ины волны.
Lz
Б. ПРllзма
G
3. Чистота спектра неnрерывноео источника
Рассмотрим сначала такое расположение, коrда входнаа
щель W! равномерно освещается источником света с постоян:
ным распределением по длинам" волн," т. е. источником, котары!!
нспускает одинаковое число эинштеинов в секунду в каждои
единичной полосе длин волн по всему спектру. Предположим,
что входная щель имеет очень малую ширину ЩI]. Изображение
W[, получаемое в области VR при длине волны )" будет иметь
ту же ширину ЩI!. ПОСКО,JlЬКУ расстояние ЩIl вдоль VR соответ-
ствует интервалу длин волн
М 1 == ЩI[/т, (187)
s
Рис. 45. ПРИНЦ}JП работы монохроматора.
подобрать В р ащением В РУ ЧН у ю элемент а G или а
- , к ]{ это Дe
лается в спектрофлуориметрах, вращением элемента G син
хронным мотором С постоянной скоростью, так что полный
спектр автоматически сканируется и реrистрируется на само-
писце.
то изображение ЩI! будет частично перекрываться с изображе-
ниями, соответствующими соседним длинам волн в интервале
), + Ал!. Однако, так как ЩII предполыается очень ма.JlОИ, ин-
Тервал длин волн Ал! также будет малым и можно считать, что
соответствvющая длине волны л область VR освещается моно-
хроматич ским светом таким образом, что спектр вдоль VR
будет «чистым» и будет иметь постоянную интенсивность.
Предположим теперь, что выходная щель открыта и имеет
конечную ширину ЩI2. Центр выходной щели соответствует
длине волны Л, а ее края длинам волн л + АЛ2/ 2 и л
dЛ2/2, rде
АЛ 2 == ЩI2/ т .
(188)
2. У zловая и линейная дисперсия
Пусть уrло ая дисперсия а опреде,Т]яется как разность yr-
.'IOB двух .'Iучеи, покидающих О, которые отличаются по длине
волны на 1 нм. В качестве дисперrирующеrо Э)I'Cмента может
быть" либо решетка, либо призма (см. рис. 45, А или Б). ДЛЯ
лучеи, проходящих через выходную щель, дисперсия решетки
почти не завис"ит от длины волны, а дисперсия призмы Изме
няется с длинои волны. Например, дисперсия кварцевоЙ призмы
изменяется примерно на два порядка в интервале от БЛИжней
Это показано на рис. 46, А, в верхней части KOToporo приве
дeНI'! относительные размеры щелей, а в средней изображе:
ния узкоЙ входной щели, которые попадают на края ВЫХОДНОИ
щеЛ!i, Т. е. изобра>к,ения ВХОДШ)Й щели, даваемые светом ДЮ!Н
134
rЛАВА III
AnnAPAT .PA и МЕТОДЫ ЭКСПЕРИМЕНТА
135
волн'),. ::J:: 6,,)"2/2. Видно, что при этих условиях свет, проходящий
через выходную щель, будет содержать ДЛИНЫ вОлн в интервале
'),. :i: 6,,'),.2/2 и будет иметь постоянную интенсивность в этом ин
тервале (см. НИЖНЮЮ часть рис. 46, А). Интересно отметить,
А Б В
Y3Ka!iI BxoDHaSl Ще"щ .
вхооная ще,.fЬ HeMHOi!O равной
::::. : Т: :Т :Т:
.J.i\2
Нзоdра'!fCСНUЯ I I
б.Ходнои щe.ru 1 1
На выходной ':
ще,.{u :'
"
LI.i!, t ..1А,
... ;j
!lQ
I ,
: LI.iI.z :
LI.il z
1 ,
: (L!.il2 .doll,):
: (i1.,Ч..1.11,):
..1.i1
Нетрудно видеть, что перекрывающиеся изображения дают то
r.;зспреде.'lение ИIlтенсивности по длинам волн, которое ТlOказано
в нижней части рис. 46, Б. Ширина полосы света, проходящеrо
через выходную щель, равна 6,,}"2 + ,"'1..1. Полностью будут пр .'
ходить только длины волн из интервала '),. + (6,, .2 ./},.Лl) /2,
а длины волн, находящиеся вне это о интервала, будут иметь
интенсИВНОСТЬ, уменьшающуюся линеино.
Случай коrда входная щель имеет ту же ширину, что и ВЫ-
ходная, по'казан на рис. 46, В. Теперь с полной интенсивностью
проходит только центральная длина волны Л, и спектральное
распределение имеет форму треуrольника. Полоса ДЛИН волн,
проходящая через выходную щель, равна теперь 26,,1.., и при
длинах волн л 6,,'),./2 интенсивность уменьшается до половины
максимальной величины. По этой причине 6,,1.. иноrда называют
полуширuной полосы.
Важно определить для любой выбранноl' ширины полосы
. оптимальную относительную ширину щеJIИ, необходимую для
JIучшеrо разрешения. С точки зрения люминесцентных измере
ний лучше Bcero, чтобы отношение количества прошедшеrо
света к общей ширине полосы было максимально. Общее коли-
чество света, проходящеrо через входную щель, пропорцио
нально Wl, а количество света, прошедшеrо через выходную
щель Т "'л, пропорционально Ш2. Поэтому
ТЫ, ==KW I W 2 , (189)
C
,
I
I
I
I
, ,
AJi t .i\
.il
!,
, I
I
: :.,Ы,: :
: 2..1.А :
1 .(. ч
р и с 46. Спектральное распределение света, проходящеrо через монохро-
матор от непрерывноrо источника.
В верхней частн схемы приведена ширина ",елей. В средней части выходные щели изо-
бражены сплошной линией. они имеют ширину, равную ширине полосы "'1.2; нходные щели
изображены пунктирной линией, они имеют ширину. равную ширине полосы "'Л,; иа ка-
ждом рисунке введено по двз изображения. соответствующих длинам волн л:t: 1'.1.,/2.
В нижней части схемы ПQказано распределение ПО Д.'шнам ВО.1Н света. ПроХодящеrо через
выходную щель каждой из трех комбинаций. изображенных в верхней Части рисунка.
Масштаб в rрафиках А. Б и В нижнеrо рисунка разный.
rде К константа, смысл которой будет выяснен
Ulирина полосы равна
6"Лl -+ 6,,'),.2::::= (Ш 1 -+ ш2)/m.
В оптимальных условиях отношение Т jl,л/(6" Л I + /),'),.2)
быть максимально для данной величины (6"Лl + 6"Л2), т.
чина
должно
е. вели
позже.
(190 )
W1W 2 /W (191)
долЖНа быть максимальной для данной суммы ширины щелей W.
Подставляя
что ширину входно(, и выходной щелей можно взаимно поме-
НЯТЬ, и спектральное распределение света после выходной щели
при. этом не изменится. Пространственное же распределение
света, конечно, изменится, поскольку теперь свет будет CKOH
центрирован на площади очень узкой выходной щели.
Предположим теперь, что ширина входной ureли возрастает
до сраВнительно большой величины. Изображения входноЙ
щели, соответствующие длинам волн '),. + 1'11..2/2, показаны на
рис. 46, Б. Видно, что только половина этих изобращ:ений HpOXO
дит через выходную щель, но небольшие доли изображений вне
этоrо интервала дли» волн также проходят 6ыlоднуIQ ще,nь.
Ш 2 ==-: W Шl
\
В уравнение (191) и приравниваяпроизводную к нулю, леrко
ноказать, что ширина входной и выходной щелей должна быть
одинакова. u
Из уравнения (189) видно, что для одинаковои ширины
входной и выходной щелей количество прошедшеrо через мо-
нохроматор света от непрерывносо источника пропорционально
квадрату ширины щеЮI, т. е. квадрату ширины полосы. Таким
образом, если для данной задачи допустимо удвоить ширину
полосы, ТО при этом ИнтеНСИВIЮСТЬ возрастает в четыре раза.
( 192)
140
r ЛАВА !!I
АППАРАП.РА И МЕТОДЫ эк.СПЕРИМЕНТА
141
Таким образом, при сканировании вблизи линии наблюдаемая
интенсивность будет изменяться, как показано в нижней части
ри . 50. РаЗНИ!-Lа в ДЛ ,нах волн между точками середины каж
дои наклоннои прямои равна полуширине ПОлосы /).t,,). Если
входная щель очень мала по сравнению с выходной щеЛ'ью Ha
клонные участки будут почти вертикальными и J.pe6Y Mble
ДЛИН I волн можно определить довольно точно [(Л2 Лl) =-= Л2],
ЛИЕеиuная дисперсия т равна ширине щели в миллиметрах, де-
леннои на наблюuдаемую величину Л2 [см. уравнение (188)].
В спектре ртутнои лампы между 250 и 600 им имеется около
двенадцати удобных линий, и для получения кривой дисперсии
пр зменноrо прибора вполне достаточно определить т для каж
дои из этих длин волн. Для приборов С решеткоЙ линейная
дисперсия должна быть приблизительно постоянной во всем
интервале длин волн.
Если необходимо определить линейную дисперсию при дли'
нах волн, которые от утствуют в и;::точпике, используют метод,
несколько отличающиися от описанноrо. Для этоrо необходимо
иметь источник с непрерывным спектром и два МОНОХРОМ8тора.
Этот метод можно использовать для определения линейНой
дисперсии монохроматора возбужденuя спектрофлуорv.метра.
Входная и выходная щели монохроматора М подбираются, как
описано в предыдущем ларш'рафе, и вместо кюветы с образцом
v.спользуют экран из окиси маrния, расположенный под уrлом
около 60 Q (см. рис. 49, Б). Экран затем освещают светом по-
досы длин волн почти прямоуrольноrо спектральноrо распре
деления и шириной Л2. (Спектральное распрсделение света,
проходящеrо через выходную щель, показано на рис. 46, А.)
Затем определяют ширину полосы сканированием монохрома-
тора флуоресценции У с очень узкими щелями. Из полученной
таким образом кривой прямоуrолыюrо вида определяют полу-
шиuрину ПОJIОСЫ /'2, соответствующую известной ширине выход-
нои шели монохроматора возбуждения W2. Делением Wz на Л2
можно получить т для монохроматора возбуждения при опре-
деленной длине волны. В некоторых областях спектр'l интен
сивность источника с непрерывным спектром (CS на рис. 49,
Б) не очень велика, что не позволяет использовать узкую вход'
ную щель монохроматора М и узкие щели монохроматора У.
В этом случае значительно большая IJнтенсивность облучения
::,крана из окиси маrния может быть достИ!'нута при больших
и одинаковых щелях монохроматора М. ЭТот случай показан
H рис. 46, В. При сканировании анализv.рующеrо MOHoxpOMa
тора с }зкими щелями получают кривую треуrольноrо вида, по
которои, измеряя спектральный интервал, оrраниченный дли
нами волн с интенсивностями, равными половине максималь-
ной интенсивности, определяют полуширину полосы.
6. Оптимальное освещение входноЙ щели
Как видно из рис. 45, свет источника S фокусируется на
входную щеJIЬ W 1 монохроматора линзой L\. Фокусное расстоя
ние линзы L\ должно быть таким, чтобы коллимирующее зер
кало М \ было заполнено светом и изображение источника на
входной щели имело площадь, равную площади последней при
максимальной ширине щели. Расстояния u и v зависят от OT
носительных размеров и формы источника и полностью откры-
ТОЙ входной щелИ. Предположим для простоты, что отношение
ширины к высоте источника равно подобному отношению для
полностью открытой входной щели (это условие соответствует
оптимальному использованию энерrии источника). Если подо-
брано такое расположение, что высота изображения источника
равна высоте щели, последняя полностью заполняется светом
при любой ее ширине. Соотношение между u и v определяется
формулой увеличения линзы
v/u == h/s,
( 195)
rде h - высота входной щели и s высота источника. Допус
тим, что /л скорость испускания света (эйнштейн/с) на еди
ничный телесный yroJI в пределах единичной полосы длин волн
(т. е. в пределах 1 нм). Предположим, что 01 телесный уrол,
с,бразуемый конусом лучей от S, достиrаlOЩИХ L\, а апертура
монохроматора
Р == d/f,
(196)
[де f фокусное расстояние коллимирующеrо зеркала М 1 ,
(j d эффективная высота дисперrИРУlOщеrо элемента. Прини-
мается, что прое\щИя дисперrирующеrо элемента, т. е. ПО'1ереч-
ное сечение параллельноrо пучка лучей от М\, дисперrируемоrо
призмой или решеткой, является квадратом, следовательно. пло-
щадь СI'O равна d 2 . (Так как зеркало М 1 обычно круrлое, то ero
диаметр будет HeMHoro больше d.) Тоrда телесный уrол 02, стя-
rиваемый эффективной площадью М 1 у входной щели W'l, будет
приблизительно равен
02 == d 2 1f2 == р2.
(197)
Из уравнения (195)
01/02 == v 2 fu 2 == h 2 fs2,
И тоrда из уравнений (196) и (197)
01 == P 2 h 2 /S 2 .
(198)
(199)
Количество света, собираемое линзой L\ и фокусируемое на
плоскость входной щели, равно 1 лОl эйнштейн/ (с. нм). Если пло-
щадь источника равна А и, площадь изображения источника на
142
rЛАВА III
ЛППАРАП"РЛ И МЕТОДЫ ЭI\СПЕРИМЕНТА
143
плоскости входноЙ щели равна Av, то меilЩУ ними существует
соотношение
7. Светосила
I,,81/Av === I"Р/Аа
(201)
Для оцеtlКИ характеристик МОНОХрОЫ<lтора выRдемM урав-
нение для светосилы, т. е. меры количества света в пределах
данноЙ ширины полосы, которыЙ проходит через монохроматор
от источника данноЙ яркости. Светосила зависит от высоты
щели h, фокусноrо расстояния {, уrловоЙ дисперсии (Х и рабо
чеЙ высоты d ПрИЗl\!Ы или решетки. Высоту щелеЙ нельзя уве-
личивать бесконечно при данном фокусном расстоянии, так
как лучи света, удаленные от оптическоЙ оси, фокусируются
менее эффективно, поэтому верхняя и нижняя части выходноЙ
щели будут освещены хуже. Слишком высо;,ие для данноrо фо
KycHoro расстояния щели также приводя1' '( JJскажениям и yxyд
шению разрешения. Предположим, что прибор сконструирован
с оптимальной высотоЙ щели и что она одинакова для входноЙ
и выходноЙ щелеЙ. Это значит, что фокусные расстояния зер
кал М \ И М 2 равны. т. е. монохроматор не дает увеличеНЕЯ. Бу-
д'ем в дальнеЙшем предполаrать, что потери света в оптике
прибора равны нулю, а входная и выходная щели всеl'да имеют
одинаковую ширину w, следовательно выполняется условие
максимальноЙ эффективности прибора (см. раздел 111, Б, 3).
Выражение для светосилы, которое выводится ниже, справед
.1ИВО в тех случаях, коrда освещение входноЙ щели светом ис-
точника оптимально, как описано в предыдущем разделе.
Свет, . собираеМI,IЙ входной щелью, Р<lспределяется вдоль
VR с линеЙноЙ дисперсиеЙ m l\JИллиметров на 1 нм, И так как
мы предположили, что в монохроматоре потери света OTCYT
ствуют, то кс;ждая секция VR длины m будет получать [см.
уравнение (202)]
Av/Au === h 2 /S 2 .
(200)
Из уравнениЙ (199) и (200) находим интенсивность света на
плоскости входноЙ щели [эЙнштеЙн/(мм 2 . с . нм)]:
(для малых значениЙ Р). Увеличить удельную интенсивность
источника с помощью фокусирующеЙ линзы невозможно. Од-
нако с . помощью линзы можно добиться полноrо заполнения
входнои щели независимо от ее размеров по отношению к раз
мерам источника.
Если входная щель монохроматора имеет ширину W" ТО ко-
личество света, проходящее через щель и попадс::ющее на эф-
фективную площадь зеркала М \, можно выразить [эйн
штеЙн/ (с. нм)] так:
'-
( " ) P2hwl'
u
(202)
Следовательно, чтобы собрать наибольшее количество света на
входноЙ щели, неоБХОДИl\IО иметь источник с возможно большеЙ
веЛ ЧИI!ОЙ /;./Аи, т. е. с наибольшей уде,'!ьноЙ яркостью [эЙн
штеин/ (мм . с)]. Для источника данноЙ мощности это означает,
что надо исполь!овать источник наименьшеЙ площади и формы,
соответствующеи форме полностью открытоЙ ЕХОДНОЙ щели.
До сих пор мы предполаrали, что источник имеет одинако
вую яркость по всеЙ площади, и при э.тиХ условиях наилучшее
использование энерrии источника достиrается в том случае,
коrда изображение источника точно соответствует полностью
открытоЙ входноЙ щели. На практике, однако, яркость источни-
ков неоднородна, и при фокусировке источника в этом случае
входная щель не будет освещена равномерно. Для получения
большеЙ однородности освещения желательно располаrать источ-
ник света на расстоянии от линзы L\, HeMHoro меньшем, чем со-
ответствующее фокусное расстояние, при этом на входной щеЮ1
получаеuтся размытое пятно света площадью, несколько превы-
шающеи площадь щели. Устанавливая лампу HeMHoro не в d:ю
кусе, мы тем самым получаем дополнитеЛЫlOе преимущества
в том, что леrкое смещение дуrи во время работы лампы будет
вызывать меньшее изменение в интенсивности 13ыходящеrо из
монохроматора света, чем в T01v1 случае, коrда изображение
точно сфокусировано. Наилучшее расположение подбирается
опытнЫм путем.
( ) P 2 hw эЙнштеЙн/с.
Ширина выходной щели тоже равна w, поэтому скорость про-
хождения света через выходную щель Т",,, (эйнштейн/с) можно
записать так:
(203)
( 1,, ) F2hw2
Т/';" === A .
и т
(204)
Этот свет имеет спектральное распределение, показанное на
рис. 46, В, с полной шириноЙ полосы 2 л, rде 2 л определяется
по уравнению (190)
2 л === '2w/m.
(205)
Чтобы определить светосилу, напишем выражение для коли
чества света, прошедшеrо через монохроматор, коrда ero щели
подобраны так, что полуширина полосы равна единице (1 нм).
144
r ЛАВА III
АППАРАТУРА И МЕТОДЫ ЭКСПЕРИМЕНТА
145
ДЛЯ ЭТО1'0 В уравнении (204) мы должны принять, что W
равно т. Тоrда
_ ( IA ) 2
Т [нм .. А; Р hm.
(206)
и, еслИ выходная шель имеет ширину не меньше
пройдет через выходную щель. Уравнение (211)
сать в друrоМ виде
т А == ( }и ) (Светосила) ( Л).
W 1 , весь свет
можно запи
(212)
в скобках яркость источника, а величина p 2 hm
монохроматора. Используя уравнения (186) и (196),
можно выразить в друrой форме:
Светосила == p 2 hm === ahd 2 /f.
I
Каждую из этих формул можНо использовать для сравнения
монохроматоров в зависимости от Toro, какие параметры из-
вестны. Таким образом, светосила пропорционаЛЬНIl высоте
щели, линейной дисперсии и квадрату апертуры. С ДРУ1'ОЙ сто-
роны, для двух монохроматоров с аналоrичным дисперrирую-
lЦим элементом, например двух кварцевых призменных моно-
хроматорав (для которых а. одинаково), светосила пропорцио
нальна d 2 /f и высоте шели. Очевидно, для получения наилучших
характеристик монохроматора .необходимо иметь по возмож-
ности наибольшие призмы или решетки (т. е. большие вели-
t!Ины d) и по возможности большое отношение высоты шели
к фокусному расстоянию, если не будет серы:зных искажений
и неоднородностей освещенv.я выходной щели.
Используя понятие светосилы [уравнение (204)], световой
поток, проходяший через монохроматор со щелями данной ши-
рины, можно выразить в следующем виде:
т ДА ( ) (Светосила) ( : У === ( : ) (Светосила) ( л.)2.
Величина
светосила
светосилу
(207)
Таким образом, поток света, проходяший через монохроматор,
пропорционален светосиле монохроматора и первой степени ши
рины полосы, на которую установлены щели. Свет будет, конеч
но, монохроматическим.
8. Сравнение спектральных приборов по све.rосиле
В табл. 12 приведены характеристики некоторых призменных
и решеточных монохроматоров. За исключением приборов с во-
дяной призмой, эти монохроматоры соответствуют некоторым
Таблица 12
Сравнение монохроматоров
(208)
N, Днсперrнрующнй I h, d, т, Светоснла
F мм/нм P'hm,
моно- элемент I ММ ММ мм'/нм
хроматора
1 Решетка 25 100 0,20 0,30 0,30
2 Кварцевая приз 18 45 0,14 0,033 (500) от2
ма 0,22 (280) 0,077
2а Стеклянная 18 45 0.14 0,10 (500) 0,035
призма 11 50 0,29 0,14 0,13
3 Решетка
4 Кварцевая приз 15 40 0,06 0,067 (500) 0,0036
ма 0,44 (280) 0,024
5 Кварцевая пр из- 50 115 0,18 0,066 (500) 0,11
ма 0,44 (280) 0,71
5а Водяная призма 50 115 0,18 0,28 (280) 0,45
Это уравнение соответствует уравнению (189) при одинаковых
щелях, в котором
к == ( ) (Светосила)/т 2 .
(209)
Пр н м е ч а н и е. Прн расчетах светоснлы принято, что потерн света отсутствуют
и. освещение выходной щелн равномерно. Фактические значеиня MorYT быть Зl1ачн,
тельнО ниже. В скобках длина волны (н м).
Уравнение для интенсивности света линейчатоrо источника
можно выразить аналоrично уравнению. (208). Так, если J
скорость испускания света в полосе на единичныЙ телес.ный
уrол источника, то интенсивность освешения плоскости входной
щели [см. вывод уравнения (201)] равна
( :и ) Р2 эйнштейн/(мм 2 . с}.- (210)
Количество света, проходящеrо через. входную щель, равно
T),==( 1J p2hW1, 211)
продажным приборам. Так как линейная дисперсия решеточных
монохроматоров сушественно не зависит от длины волны, то их
светосилы, выраженные в размерностях длины волны, будут
одинаковы для всех длин волн. Дисперсия призменных MOHO
хроматоров существенно меняется с длиной волны, и в табл. 12
приведены светосилы для указанных длин волн. На рис. 51 при
ведены rрафики зависимости светосилы некоторых монохромато-
ров от длины волны.
. Данные табл. 12 и рис. 51 позволяют сделать некоторые ин
тересные .сравнения. Так, цена решеточноrо монохроматор<!- N!! 1
146
rЛАВА III
АППАРАТУРА И МЕТОДЫ ЭКСПЕРИМЕНТА
147
такая же, как и призменноrо монохроматора NQ 2, но первый
имеет большую светосилу при всех л > 200 нм. В середине ви-
димой области при 500 нм светосила решеточноrо прибора в
25 раз больше светосилы кварцевоrо монохроматора. Светосила
BToporo прибора в видимой области становится в 3 раза больше,
если кварцевую призму заменить
стеклянной, но светосила ero все.
же значительно меньше, чем у pe
шеточноrо монохроматора. Для
Toro чтобы получить светосилу,
с;:>авнимую со светосилой реше-
точноrо прибора в широком ин-
тервале длин волн, необходимо
испо.тJьзовать очень большой и до-
роrой кварцевый призменный мо-
I10хроматор (NQ 5), но даже и в
этом случае светосила есо мень-
ше, чем у решеточноrо MOHOXpO
матора при длинах волн более
360 11М. Вместо дороrих и боль
ших кварцевых призм используют
полые призмы из кристалличе-
cKoro или плавленоrо кварца,на-
полненные водой. Такие призмы
дешевле, но, к сожалению, дис
персия воды меньше, чем диспер-
сия кварца, в интересующем нас
интервале длин волн, как вИдно
из сравнения кривых Б и Ба на
рис. 51. Можно применять друrие
жидкости с большей дисперсией,
но, поскольку в настоящее время
можно приобрести большие решетки, сомнительно, чтобы изrо
товление Bcero монохроматора было HaMHoro дороже, чем за
траты при использовании водяных призм.
Призменный монохроматор NQ 4 аналоrичен монохроматорам,
обычно применяемым в спектрофотометрах для ультрафиолето
воЙ области. Цена этоrо монохроматора такая же, как и реше
точноrо монохроматора NQ 3, и приблизительно в три раза мень-
ше, чем цена монохроматоров NQ 1 и 2. (; точки зрения светосилы
решеточные приборы значительно лучше ПР!lзменных.
Однако бi?IЛО бы ошибочно сравнивать монохроматоры только
по светосиле. Необходимо учитывать такЖе и друrие факторы:
а) эффективность Р(lЗНЫХ компонентов монохроматоров (она
была принято раБНОЙ 100% при выводе уравнений), б) наложе
H!1 друrих спектральных порядков в решеточных прибораХ 1
0.002
11
200
1
300 400 500 6'00 700 80{)
,4.fUHO 60.J/l/bI./ioМ
Рис. 51. Светосила монохрома'
торов (в шкале длин волн).
Величины светосилы не включают по
терн света. Фактические значения cy
ществеННQ Меньше.
в) примесь рассеянноrо света, [) размер и расхождение" пучка
из выходной щели и то, насколько это соответствует тои цели,
с которой используется монохроматор. Ниже кратко обсуждает
ся каждый из этих дополнительных факторов.
9. Эффективность решетки
При отражении от решетки- свет разлаrается на несколько
спектральных порядков, и, таким образом, количество света в
каждом отдельном порядке меньше, чем количе тво света, BЫX
дящеrо из призменноrо монохроматора с такои же светосилои.
Решетки обычно имеют «блеск»: профиль насечек на поверхно-
сти решетки (штрихов) делается таким, что наибольшее количе
ство света направляется в спектр первоrо порядка *. Блеск pac
считывают таким образом, чтобы решетка была на более эффек-
тивна в определенной области длин волн, и в этои области эф-
фективность решетки может достиrать 50%. В друrих областях
длин волн эффективность может быть менее 20 %. Это нужно
иметь в виду при сравнении светосилы (табл. 12 и рис. 51).
Поскольку некоторое количество света поuпадает в друrие
спектральные порядки, пучок света, выходящии из решеточноrо
монохроматора, содержит дополнительные длины волн, суще
ственно отличающиеся от той длины волны, на которую YCTaHOB
лен монохроматор. Например, через монохроматор, установле
ный на 500 нм для спектра первоrо порядка, будет проходить
свет с длиной волны 250 нм из спектра BToporo порядка. Если
монохроматор используется с целью выделения монохроматиче
cKoro света для возбуждения вещества, поrлощающеrо при
500 нм, то В данном случае в некоторой степени MorYT возбу
ждаться и друrие вещества, не поrлощающие при 500 нм, но по
rлощающие свет 250 нм. Если такие вещества присутствуют в
больших количествах, это может приводить к существенным
ошибкам. Аналоrично, если решеточный монохроматор исполь-
зуется дл$J анализа флуоресценции образца, возбуждаемоrо CBe
том 250 нм, то можно наблюдать слабый сиrнал при 500 нм,
возникающий из-за рассеянноrо возбуждающеrо света, проходя
щеrо через монохроматор во втором порядке спектра.
Большинство источников света дают сравнительно мало све-
та с длинами волн короче 200 нм, поэтому В области между 200
и 400 нм В монохроматоре практически отсутствуют полосы ВТО-
poro порядка. С помощью фильтра, поrлощающеrо свет с дли
нами волн короче 380 нм [например, 1 % -ный (вес/объем) pac
твор нитрита натрия в воде, толщина слоя 1 см], можно свести
* Иноrда штрихи нарезают так, что свет концентрируется в спектре вто-
poro порядка. Прим. ред.
148
rЛАВА 111
АППЛРАТУРА И МЕ.rоды ЭК:СПЕРИМНПА
149
к нулю наложение линий BToporo порядка в области 400 800 нм.
Следует отметить, что фильтр, расположенный между флуорес
цирующим образцом и монохроматором, используемым для из
мерения спектра флуоресценции, может вносить ошибки при точ
ных измерениях, поэтому нужно быть уверенным, что сам фильтр
не флуоресцирует. В противном случае флуоресценция фильтра,
возбуждаемая светом, рассеянным образцом, может замаскиро
вать слабую флуоресценцию вещества при малой ero KOHЦeHTpa
ции. Вопрос о подборе фильтров будет рассмотрен в следующем
разделе.
10. Рассеянный свет
'Свет, выходящий из монохроматора, теоретически не должен
содержать никаких друrих длин волн, кроме линии, на которую
установлен МОНОХрО'\lатор, и налаrающихся линий BToporo по
рядка решетки. На практике же свет, выходящиЙ из монохрома-
тора, содержит небольшуio долю всех длин волн, которые вхо-
дят в монохроматор. Это происходит в результате хаотическоrо
рассеяния света поверхностью решетки и раЗЛИЧНЫl\!И дефектами
и частицами пыли на фокусирующем зеркале М 2 (см. рйс. 45).
Доля рассеянноrо света в решеточных приборах обычно больше,
чем в призменных, и эта доля зависит от качества оптических дe
талей и конструкции монохроматора. Особенно трудно измерять
слабую люминесценцию при одной длине ВО,'1ны в присутствии
счень сильной полосы люминесценции при друrой длине волны.
Рассеянный свет монохроматора возбуждения может налаrаться
точно так же, как свет BToporo порядка спектра, о котором ro
варилось ранее. Примеры осложнений вследствие рассеяния све-
та обсуждаются в rл. V. От рассеянноrо света часто можно из-
бавиться, используя соответствующие фильтры, но в том случае,
коrда требуется очень чистый возбуждающий свет, т. е. коrда
возбуждают люминесценцию одноrо соединения при малой ero
концентрации в присутствии больших концентраций друrоrо co
единения, полоса поrлощения KOToporo расположена при более
коротких длинах волн, фильтры MorYT оказаться недостаточно
эффективными, и в этом случае необходимо использовать двой-
ной монохроматор.
деляется на большой площади выходной щели и интенсивность
спета в расчете на tдиничную площадь будет сравнительно Ma
ла. Если пучок СЛИШКОl\l ветш по сравнению с кюветой, ero
можно фокусировать с помощью линзы L2' расположенной по
сле выходной щели, как показано на рис. 45. Однако расстоя
ние между линзой и образцом может оказаться недостаточным
для размещения рассекателей пучка и т. д. или апертура может
оказаться слишком большой для Toro, чтобы поместить поляри
затор, или для Toro, чтобы использовать ячейки с оrраниченной
апертурой, например сосуд Дьюара. Таким образом, при KOH
струировании спектрофлуориметра для специальных целей нуж
но принимать во внимание как светосилу монохроматора, так и
размер и апертуру пучка.
До сих пор мы обсуждали вопрос о выборе и расположении
монохроматора возбуждения. Не менее важным являются облу
чение образца и реrистрация возникающей люминесценции. Ни
же будут обсуждены различные способы облучения образца и
конструv.ции кюветноrо отделения. Здесь следует рассмотреть
общие требования, обеспечивающие эффективную реrистрацию
люминесценции вторым монохроматором. Рассуждения относи
тельно размера источника света и ero фокусирования на BXOД
ную щель монохроматора возбуждения полностью применимы и
к монохроматору ЛЮl\lинесценции, за исключением Toro, что в
данном случае источником света служит освещаемая площадь
образца. Поэтому для Toro, чтобы собрать как можно больше
света люминесценции, освещаемая площадь образца должна
быть небольшой и ее следует фокусировать на входную щель мо-
нохроматора ,1юминесценции так, чтобы заполнить ее и коллима
тор светом. Ясно, что чем короче фокусное расстояние линзы
выходной щели монохроматора возбуждения, тем меньше облу-
чаемая площадь образца и поэтому те:\1 больше доля света люми-
несценции, попадающая в анализирующий монохроматор. Од-
нако при этом необходимо иметь в виду, что при очень больших
интенсивностях света образец слишком быстро претерпевает фо-
тохимическое Р2зложение.
11. fеометрия выходяще20 пучка света
и освещение образца
Светосила монохроматора, соrласно 1равнению (207), яв-
ляется мерой общеrо количества света, выходящеrо из МОНОХРО'
матара, но она ничеrо не rоворит о rеометрии выходящеrо пучка
света. Монохроматоры с большой щелью и большой апертуроЙ
будут иметь большую светосилу, но в этом случае свет распре-
12. Разрешающая способность
Существует теоретическиЙ предел разрешающей способности
призменных и решеточных приборов. В спектрофлуориметрии
редко бывает возможно (или необходимо) использовать пре
дельную разрешающую способность, даже если высокие каче-
ства прибора позволяют это, поскольку тоrда нужно исПользо
вать узкие щели и, следовательно, сильно снижать интенсивность
света. Однако необходимо отмети"!,ь, что некоторые приборы не
приспособлены для работы при очень высоком разрешении. На-
150
rЛАВА !I!
АППАРАТУРА И МЕТОДЫ ЭКСПЕРИМЕНТА
151
Независимо от типа используемоrо прибора необходимо
уметь пере водить Д.rrИНЫ волн в волновые числа и наоборот. Для
удобства перевода рекомендуются нанометр (1 нм == 10 9 м)
для длины волны и обратный микрометр (MKM !) дЛЯ волновоrо
числа. Таким образом, наиболее интересной спектральной об
ластью ФОТОЛЮl\lинесценции является область 200 1000 нм, или
5,0 1,0 MKM !. Поскольку в
этой книrе приводятся спек
трЫ, полученные с помощью
обоих ТИIlОВ прибороI3, во
избежание неточностей при
пересчете и перечерчива-
ния в ней используются оба
способа изображения спек-
тров. В тех случаях, [де это
необходимо, приведены оба
типа шкал.
Необходимо соблюдать
осторожность при переводе
значений ширины полосы из
одной шкалы в друrую. Со-
отношение для перевода
можно вывести следующим
образом. Пусть 'А длина волны в нанометрах и \i волновое
число в обратных микрометрах. Тоrда
\i =" 1 ООО/'А.
пример, решеточныЙ MOHOXPO !(1ТOP с большоЙ светосилоЙ можно
изrотавить специально для I3ыделения больших интенсивностеi'I
света сравнительно широкоЙ полосы и снаБДить сериеЙ сменных
фиксированных щелеЙ сравните.1ЬНО большой ширины. ДруП!е
приборы с персменными щелями l\IorYT иметь сравнительно ма-
лую разрешающую способность из-за несовершенства конструк-
ции, давая, например, искривление изображения на выходной
щели, так что, коrда ширина щели становится меньше какой-то
определенноЙ величины, ширина полосы больше не уменьшается.
Для мнаrих флуориметрических измерениЙ, в которых полосы
флуоресценции очень широкие, эти оrраничения разрешающей
способности не Иrрают большоЙ роли, но при измерении, напри-
мер, спектров Шпольскоrо ПОilOСЫ MorYT быть чрезвычаЙно уз
кими, и ДЛЯ этой цели точные призменные при боры MorYT ока-
заться более ценными, чем решеточные, несмотря на высокую
светосилу последних.
13. Выбор между волновым числом и длиной волны
В r л. 1 было показано, что, поскольку працессы поrJJощения
и испускания света являются квантовыми процессами, в которых
величина кванта равна разности энерrий между двумя молеку
лярными состояниями, более целесообразно изображать спектры
как функцию волновоrо Числа, а не длины волны. Читатель, ве-
роятно, заметил, что обсуждение в этоЙ rлаве велось в терми-
нах длин волн. Это объясняется тем, что бо.'lЬШИНСТВО !OHaxpo-
маторов прокалибровано в длинах nолн и, кроме Toro, в реше-
точных приборах лине;"IНая дисперсия, выраженная через длины
волн, не зависит от длины волны. Это значит, что если сканиро-
вание спектра происходит при вращении барабана длин волн ре-
шеточноrо монохроматора с постоянноЙ скоростью, то спектр ав-
томатически реrистрируется на диаrрамме в линейноЙ шкале
длин волн, и это удобно. Нужно, однако, иметь в виду, что при
сканировании большоrо спектральноrо интервала спектр наибо-
лее растянут в длинноволновоЙ области, а коротковолновая об-
ласть, rде на один нанометр приходится больше информации,
более сжата. Если барабан приз.менноrо монохроматора вра-
щается с постоянноЙ скоростью, то спектр не получается линей-
ным ни в длинах волн, ни в волновых числах. Однако в волно-
вых числах спектр будет более БЛИЗI<ИМ к линеЙному, и для
некоторых целеЙ он удобнее, чем спектр, получаемыЙ при скани-
ровании решеточноrо монохроматора. Для (прибора, который
реrистрирует полностью исправленные спектры с использованием
двухкоординатноrо самописца (см. раздел 111, К, 4), эти рассу'
ждения неприменимы, поскольку при боры обоих типов позво
ляют получить спектры, линейные как в длинах волн, так и в
волновых числах.
Таблица 13
Соотношение между шириной ПОЛОС,
выраженной в единицах длин воли,
и волновыми ЧИСЛI\МИ
Л,
ВЫ
Ll.v,
COOTBeT
ствующая 1 ИМ
v,
1
МКМ
200
250
300
400
500
600
800
1000
5,0
4,0
3,33
2,5
2,0
1,67
1,25
1,00
0,025
0,016
0,0111
0,00625
0,004
0,00278
0,00156
0,001
Дифференцируя, получим
M 1000 ./),'А
').,2
или
/),'А == 1 0 . /),\i.
v
(213)
(214 )
(215)
Таким образом, ширина полосы в обратных микрометрах
(MKM l), соответствующая ширине полосы 1 нм, быстро изме-
няется с длиной волны (табл. 13). При 200 нм она в 25 раз боль
ше, чем при 1000 нм.
Так как в фотохимии больше принято пользоваться волно
выми числами, чем длинами волн, лучше выражать ширину по
ласы в волновых числах, а не в длинах волн. Поэтому с теорети
ческоЙ точки зрения желательно выражать величину светосилы
монохроматоров в волновых числах. Такие величины служат Me
роЙ количества света, проходящеrо через монохроматор (со ще-
лям!!, соответствующими ширине полосы I l\IKM l) от непрерыв-
Iloro источника, испускающеrо единичНУЮ интенсивность в ин-
тервале 1 MKM l R единичном телесном уrле. Значения светосчщ,!,
152
rЛАВА III
AnnAPAtYPA МЕТОДЫ Э СПЕРИМЕнtА
133
выраженные в ВОЛНОВ. IХ числах, можно просто получить из COOT
ветствующих значении в длинах волн. Обозначим линейную дис
персию, выраженную в миллиметрах на нанометр, через т (л),
Д.llина 60.llHы н./и а выраженную в миллиметрах
300 400 500 700 на обратный микрометр че
рез т(у). По уравнению (187)
(216)
(217)
Для иллюстрации использова-
4.0 3,0 . 210 . ния шкалы волновых чисел на
ВО.llновое ЧUС,1/0.МI(.IIf ( рис. 52 светосила MOHoxpOMa
52. Значения светосилы торов 1 и 2 (см. табл. 12) изо-
(в ШКilЛс волновых чисел). бражена как функция волно
Boro числа. Видно, что CBeTO
сила (у) для KBapueBoro призменноrо прибора изменяется толь
ко в 5 раз в данном интервале волновых чисел, в то время как
для решеточноrо монохроматера она изменяется в 16 раз.
H первый взrляд уравнение (208) предполаrает, что прохо
дящии через монохроматор поток света от данноrо источн ка
должен неоrраниченно возрастать с увеличением светосилы. Это,
разумеется, не так, поскольку общее испускание источника имеет
конечную величину. Если попытаться увеличивать светосилу бес
конечно, наступает такой момент, коrда дальше невозможно
создать оптимальные условия для освещения входной щели,
описанные в разделе III, Б, 6, и уравнение (208) больше непри-
менимо. Этот вопрос обсужден в разделе В при описании ис
точников света.
200
200
100
80
60
;:,.;.
40
\:i
"\
20
<:>
<L>
а !о
8
6'
4
2
5.0
Рис.
т Щ == w / /).л
стве случаев этот выбор, несомненно, будет сдел ан в пользу
решеточных приборов как для монохроматора возбуждения, так
и для монохроматора люминесценции. Некоторые исследователи
предлаrают использовать для монохроматоров возбуждения
призменные приборы, так как обычно люминесценция возбуж.
дается в коротковолновой области, rде дисперсия кварца боль-
ше, поэтому можно. получить более «чистый» возбуждающий
свет. Наиболее идеальным устройством, использующим преиму
щества обоих типов приборов, являются двойные монохрома,
торы, состоящие из комбинации решетки и призмы. Решетка дает
хорошее разрешение, а призма отсекает ненужные спектральные
порядки, а также рассеянный свет нежелательных длин волн,
сильно отличающихся от нужной длины волны. Такие приборы,
конечно, значительно дороже и для мноrих целей не являются
необходимыми.
В заключение можно сказать, что максимальная светосила
спектрофлуориметра может быть получена с учетом следующих
факторов:
1) Использование монохрома торов, имеющих наибольшую
светосилу [см. уравнение (207)], соrласованную с размерами ис-
точника и максимальной рабочей щелью.
2) Использование источника с возможно большей удельной
яркостью [эйнштейн/(мм 2 ,с,нм)] в интересующем нас интерва.fJе
длин волн. Источник должен иметь такую форму и размеры, что-
бы удовлетворялось условие 3 (см. также раздел III, В, 9).
3) Подбор конденсорной линзы, обеспечивающей заполнение
светом входной щели при ее полноЙ рабочеЙ ширине и колли
матора.
4) Фокусирование монохроматическоrо света монохроматора
возбуждения на возможно меньшую площадь образца (см. раз
дел III, В, 9). Эта площадь должна по форме напоминать BXOД
ную щель BToporo монохроматора.
5) Такой подбор конденсорной линзы BToporo монохрома-
тора, чтобы входная щель при ее полной рабочей ширине и КОЛ
лиматор BToporo монохроматора были заполнены светом флуо-
ресценции образца.
На практике все эти факторы выполняются редко и прихо
дится выбирать компромиссное решение в зависимости от целей,
для которых изrотовляется прибор.
и
т (у) == w/M,
rде w ширина щели монохро-
матора в миллиметрах. По
этому из уравнения (214)
т (у) л л 2 ( 218 )
т (л) y 1000
и из уравнения (207)
Светосила (у) ==
л 2
== Светосила (л) 1000 .
(219)
/
I
15. Меры предосторожности
Оптические детали монохроматоров очень леrко разруrnаю1'.
ся, поэтому необходимо соблюдать следующие меры Предосто
рожности. Монохроматор надо хранить в помещении при по-
стоянной температуре, так как -быстрые изменения температуры
14. Выводы
Один из первых вопросов, с которым сталкивается исследо-
ватель при изrотовлении спетрофлуориметра, это выбор Me
жду решеточным и призменным монохроматорами. В БОЛЬШИI1-
154
r ЛАВА I!t
АППАРАТУРА. И МЕТОДЫ ЭКСПЕРИМЕНТА
155
MorYT привести к конденсации влаrи на поверхности зеркала,
ПрИЗl\1Ы ИЛ!! решетки. В качестве дополнительноЙ меры предо
сторожности рекомендуется помещать под крышку прибора ин-
дикаторНЫе силикаrелевые осушители. Осушитель следует
периодически менять. В лаборатории, [де находится прибор,
нельзя хранить химические реактивы, пары которых вызывают
коррозию. Монохроматор должен быть плотно закрыт во избе
жание оседания пыли на оптических поверхностях. Не следует
дышать на оптичеСкие поверхности. После длительной работы
поверхности зеркал становятся мутными характеристики при
бора серьезно ухудшаются. В этом случае желательно повторное
покрытие зеркал аiIюминием. Ни в коем случае нельзя прика
саться руками к поверхности призмы, зеркал и решеток.
При работе со щелями также необходимо соблюдать опре
деленные меры предс,сторожности. Щели надо осторожно чи
стить специальной палочкой или спичкой для удаления пылиft
мелких песчинок. Это особенно важно, если часто используются
узкие щели. В некоторых монохроматорах при неосторожной ре-
rулировке ширины щели ее ножи MorYT сомкнуться, и при YCTa
новке узких щелей следует проявлять особую осторожность, по-
скольку, если щели будут повреждены, то трудно будет добиться
Toro BbIcoKoro разрешения, на которое рассчитан монохроматор.
света от линии и от соответствующеrо участка континуума полу
чается сравнением уравнений (208) и (212), из которых видно,
что количество света от линии пропорционально л, а количе-
ство света от участка континуума пропорционально ( л)2. При
реrистрации смешанных спектров испускания ламп полезнq CKa
нировать спектр с очень узкой входной щелью и сравнительно
широкой выходноЙ щелью. При этих условиях каждая моно-
хроматическая линия будет давать существенно прямоуrольный
сиrнал с шириной полосы, соответствующей определенной ши
рине выходной щели (см. раздел 111, Б, 5 и рис. 50). Континуум
будет давать непрерывную кривую. Соотношение между интен
сивностью линии и интенсивностыо соотвеТСТiJующеrо участка
континуума может быть вычислено следующим образом. Мето-
дами, аналоrичными методам, использованным при выводе ypa
внений (208) и (212), можно леrко показать, что при неодинако-
вых щелях монохроматора с шириной, соответствующей ширине
полос Л! и Л2 (rде Лl < Л2), количество света от континуума
интенсивности l и от монохроматической линии интен ивности
1 выражается так:
т м === ( ) (Светосила) ( ЛI) ( Л2) (220)
и
В. ИСТОЧНИКИ СВЕТА
T == ( :u ) (Светосила) ( Лl)'
(221 )
1: Измерение сnектральноzо распределения
За исключением вольфрамовых ламп, которые дают истинно
непрерывный спектр, и ртутных ламп низкоrо давления, KOTO
рые дают линейчатый спектр, все упоминаемые ниже источники
имеют смешанный спектр, содержащий как сплошное, так и ли-
нейчатое излучение. Количественное выражение относительных
интеНСИВНОстей линий и КОНТИНУУ fа представляет собой особую
проблему, так как световой поток от монохроматической линии
выражается в эйнштейнах на секунду, а поток от континуума
в эйнштейнах на секунду и на единичную ширину полосы. Эта
проблема уже упоминал ась выше, далее она будет обсуждена
более подробно, чтобы читатель Mor получить максимальную ин-
формацию на основе спектральноrо распределения источников
света.
В разделе 111, Б, 4 (см. рис. 48) было показано, что при ска,
нировании смешанноrо спектра спектрометром с одинаковой ши-
риной входной и выходной щелей каждая моноiроматическая
.'1иния испускания дает наложенный на непрерывный спектр Tpe
уrольный сиrнал с полушириной полосы, равнойполуширине
установленной щели монохроматора. Относительное количество
Таким образом, в области линии с длиной волны л
Отклонение пера самописца, соответствующее
количеству света от континуума
Отклонение пера самописца, соответствующее
количеству света от линии
т ;c l ( Л2)
== т;: == J . (222)
Но Л2 Э1 0 ширина прямоуrольноrо сиrнала, производимоrо
линией при развертке спектра, и, таким образом, если кривую
континуума разделить на прямоуrольники с шириной Л2
(рис. 53), то отношение суммы площадей этих прямоуrольников
внутри интервала Лl 1>"2 К площади прямоуrольника от линии
равно относительному числу квантов, испускаемых континуумом
в полосе между Л! и Л2 И линией. Так, на рис. 53 доля МОНОХро-
матическоzо света длины волны Л, испускаемоrо в интервале
л\ Л2, равна отношению площадей а/(а + b). С друrой сто-
роны, доля света с длиной волны л + Л2/2, испускаемоrо в 'ин
тервале л\ Л2, равна отношению площадей (а + Ь 4 )/(а + b).
Здесь мы использовали термин «длина волны», но, разумеется,
подобный метод справедлив и для волновоrо числа. Этот метод
особенно удобен для измерения спектральной чистоты света, про-
одящеrо через фил!>тры; он был, например, использован для
. . .
155
rЛi\ВА 111
АППАРАТУРА И МЕТОДЫ ЭКСПЕРИМЕНТА
157
l1Az
i
ё
,:::sq:;
:оЕ
o
:::s:t
1
"'о
tt-e-
.il z
,4.-f и на 600111(61
Рис. 53. Метод ИЗ lерения интен
сивности линии по отношению
к фону.
Спектр записывается с очень узкой в)'о,"\-
ной щелью и широкой выходной щелью,
соответствующей ширине Полосы ДЛ2.
ЛИНИЯ спектра дает прямоуrольный сиr-
нал с площадью а, а фон дает r ладкую
кривую. Сравиивая площадь а с пло.
щадью под кривой между "'\ и "'" моЖно
определить отношение испускания :lИ-
нии к испусканию фона в ЭТОМ ннтер'
вале длин волн.
Toro чтобы сравнить разделенные спектральные области, На
рис. 54 приведены кривые коррекции для линий и для контину-
умов. По причина м, указанным ниже, обе эти кривые нормиро-
ваны к единице при 366 нм (2,73 MKM l). Сканирование произво
дилось при выходной щели MO Д-"uна БО'//НЫ,Н,м
нохроматора 1 мм [ширина по 250 300 400 500 700
лосы изменял ась от 74 нм
(0,091 MKM l) при 900 нм до 3,0 600 уо
1,8 нм (0,029 MKM l) при 250 нм]
и при известной чувствитель
ности прибора. ЛампЫ были
расположены на расстоянии
60 см от экрана из окиси Mar
ния (см. рис. 49, А), и, таким
образом, можно было леrко
определить шкалы относитель-
ной интенсивности для всех
спектров. Для пересчета спек
тров на абсолютные интенсив-
ности линию 366 нм ртутной
лампы среднеrо давления BЫ
делили с помощью узкополос
Horo фильтра с известным про-
пусканием при 366 нм и с по-
мощью ферриоксалатноrо aK
тинометра определили интен
сивность излучения внутри
единичноrо телесноrо уrла при
этой длине волны (см. раз-
дел 111, Е, 2). По интенсивно
сти при 366 нм были опреде
лены шкалы интенсивностей
всех спектров. Интенсивности
при друrих длинах волн можно получить делением интенсивности
на соответствующие коэффициенты коррекции (рис. 54). Необ
ходимо отметить, что исправленные интенсивности для коити
HV\TMa относятся к ширине полосы монохроматора при 366 им
(2)3 MKM l), равной 7 нм (0,052 MKM l).
Ртутные лампы испускают свет в интервале 250 700 нм. На
рис. 55 59 приведены две вертикальные шкалы. Они относятся
к левой и правой частям спектров, которые были измерены при
различных чувствительностях (с перекрыванием при 31 О нм для
ртутных ламп среднеrо и BbIcOKoro давления). .Спектр ртутной
лампы низкоrо давления был записан при ОДНОИ чувствительно
сти а спектр ксеноновой лампы при трех чувствительностях.
Ле ая шкал!) для спектра ксеноновой лампы относится к средней
1"-
сп
выделЕ'НИЯ монохроматической линии ртути. с помощью узкопо
JlocHoro фильтра.
Подобный метод сравнения площадей дает хорошие резуль
таты в оrраниченных интервалах длин волн или волновых чисел
без дальнейшеrо исправления при условии, что спектральная
чувствительность спектрометра не изменяется в этом интервале
СЛИJuком быстро. Если, однако, нужно прОВести точное cpaBH .
ние между сильно разделенными
спектральными областями, то по-
лучаемые спектры надо исправ
лять. Континуум исправляется
точно так же, как и спектры
люминесценции (см. раздел
111, Л, 3), путем деления наблю-
даемой интенсивности при каж-
дой Длине волны или волновом
числе на спектральную чувстви
тельность, выраженную в соот,
ветствующих еДиницах, т. е. на
величину Sл или S" при СООтвет-
ствующей длине волны или вол-
новом числе. Реrистрируемые ин
тенсивности линий не зависят от
ширины полосы, установленной
на спектрометре, а пропорцио'
нальны произведению PL (см.
раздел 111, К, 3).
Pl. S-л/В-л S"/B,,, (223)
rде L ПРОllускание монохрома-
тора, а Р сиrнал фотоумно
жителя на один квант, В v или
В л относительная ширина По
лосы монохроматора, которая, вообще rоворя, изменяется в за,
БИСИМОСТИ 0-: длины волны или волновоrо числа. Так, для реше.
точноrо прибора, для KOToporo линейная дисперсия, выраженная
в единицах длин волн, постоянна, одну и ту же кривую коррек-
ции можно использовать как для интеНСИвностей линий так и
для интеНСИВНОстей континуума при условии, что послед ий BЫ
ражен в единицах длин БОЛН. Если интенсивность континуума
выражена .в единицах волновых. чисел. или если используется
приз енныи прибор с переменнои линеиной дисперсией, то для
линии и для фона необходимо иметь отдеЛьные кривые KOp
рекции. /
Спектральные распределения, показанные на рис. 55 59,
опреде ены с помощью двойноrо монохроматора с кварцевоЙ
призмои. Они изображены Tal\l I<aK записаны на сю. ()писце. Дл
2;0
1,0
1'" 1.5
CQ
.........
с3,'" 1, О
4,0
3,0 2.0
Волновое ЧUС.llо..мк.м l
Рис. 54. Кривые спектральной чув
ствительности двойноrо монохрома-
тора с призмой из двуокиси' кремния,
сочлененноrо с фотоумножителем
9558Q.
158
r ЛАВА III
АППАРАТУРА И МЕТОДЫ ЭКСПЕРИМЕНТА
159
кривой, а левая кривая была записана при Чувствительности,
в девять раз превышающей среднюю. Кроме записи спектра с
выходной щелью монохроматора, равной 1 нм, проведено каче
ственное сканирование с узкой выходной щелью, так что линии
реrистрировались как резкие узкие пики, а интенсивности конти
нуума сильно уменьшались. При таком качественном сканирова
нии разрешались близко располсженные линии (однако они ,не
Спектры, приведенные на рис. 55 59, это спектры полносо
аН ' IЯ всех У частков ламп включая в большинстве случаев
испуск , , " "
и аскаленные электроды. Световои поток, выходящии из моно-
XP MaTopa, зависит от яркости источника (l,JA" или JjA u ), как
130.Ановое '/ИСАО, .мKM 1
4,0
3,5
3,0
2,5 2,0 1,4.
ВО.АНО60е ЧЦС.IIО, Mк.м '
2.0 4,0 3,5 3.0 20 1,42
,О
'"
1,5 1,5
..,. &
tJ 6
\" '-J
" 1.0 1,0 .........
:z:
:t '::t
'::t IU
Е:
Е: :i
0,5 . 0,5 >
'::t с'!)
(т)
250 300
МИНа б(),.{НЫ, н,м
2,0
'"
<:::>'"
'":' с' 15
.......::t '
e-
.'"
E:
.........tJ
. <3 1,0
1U:r
1:0\
'::! '" 0.5
(т) ..! .
12
, :(
'<> :z:
. ::s
o,9,&
t.E
.....о.)
.........1:$
o,6'
IU DI
E:I:$
:!
0,3'
{I).....
250
300 350 400 500 700
I Д,l/uна БО,l/НЬ/, нм
Рис. 55. Спектр излучения ртутной лампы низкоrо давления на 6 Вт. Испу-
скание с участка трубки длиной 40 мм; общая длина трубки 340 мм (см.
текст и рис. 54).
все видны на рисунках из-за трудности воспроизведения спект-
ров) .
Рис. 55 57 имеют две особенности. Во первых, в случае мо-
нохроматических линий (например, линии ртутной лампы низ
Koro давления и мноrих линий лампы среднеrо давления)
стороны прямоуrольника, соответствующеrо ,lIинейчатому испу-
сканию, практически вертикальны, как и вЫтекает из уже обсуж-.
давшейся теории. Вершины «прямоуrольников», однако, cKpyr-
ленные, а не rоризонтальные. Это происходит из за неоднородной
чувствительности поверхности фотоумножителя. Во время скани-
рования узкое изображение входной щели проходит через пло-
щадь выходной щели, как показано на рис. 50, и таким образом
попадает на разные участки поверхности фотоумножителя. Вто-
рая особеннрсть это форма линий лампы cBepxBbIcoKQro дав-
ления. Они не имеют вертикальных сторон, так как «линии» ОТ
таких ламп не монохроматические, а уширенные в результате co
ударений молекул (подробнее об этом см. ниже).
Рис. 56. Спектр излучения ртутной лампы среднеrо давления иа 125 Вт
(см. текст и рис. 54). .
показаl:Ю вразделе III, Б, 7, и поэтому при сравнении источников.
в спектрофлуориметрии необходимо учитывать размер и форму
источников, а также их полное испускание. Размер источника
величина неопределенная, так как яркость изменяется от точки
к тОЧКе. rрубые оценки размеров светящихся участков приве
дены в табл. 14 вместе с приблизительными долями полноrо ви-
димоrо излучения, которые им соответствуют. ПОСКОЛЬКУ эти
оценки были сделаны визуально, они довольно приближенны, но
полезны для rрубоrо сравнения источников. Необходимо, однаlЮ,
16()
r ЛАВА III
АППАРАТУРА И МЕТОДЫ ЭКСПЕРИМЕНТА
Таблица 14
161
иметь в виду, что распределение длин волн может также менять-
ся в различных участках источника, а размеры источников, oцe
ниваемые по ультрафиолетовому излучениlO, MorYT сильно отли
чаться от оценок в видимом свете.
Размеры источников света
Область наибольшей
интенсивности
4,0
80.1111060(> ЧUС,lfО, мк,м I
J,J 3,0
Лампа
ПО.1Ное раз меры,
излучение, мм
%
12 а 40 а. 6
60 20.1,2
60 6,6.1,2
80 2,5.1,6
75 26.3,3
100 22.4,9
100 5,9.3,6
IOO 17.2,1
6.0
Ртутная лампа низкоrо давления
иа 6 Вт
ртутная лампа среднеrо давления
на 125 Вт
Ртутная лампа BblcoKoro давления
на 1000 Вт (работала при 700 Вт)
Ртутная лампа cBepXBbIcoKoro давле-
ния на 200 Вт
Кадмиевая лампа на 25 ВТ
Цинковая лампа на 25 Вт
Ксеноновая лампа на 350 Вт
Вольфрамовая лампа на 100 Вт
,.....
fo, \3
S:?
.
..-..<.>
t:l.::t
':'t:l.4.0
.......
"""/::
J
1::0<:
1i 2
"' .о
.::t
С"')"-'
6,0 1
<о '"
S:?
':::r
&Q.
4,0 Ё
,U,
'951 ,
,
:!<Q
20 '" t:s '
, ':::S 9. .
(1)'::"
а Лампа иизкоrо давления имела форму U образной трубки длиной
около 340 мм, из которых излучали лишь 40 мм. Лампа может работать
с мощностью в 10 раз больше указаниой, при этом соответственно увели-
чивается интенсивность спектра.
250
275 300 350 400 500600700
ДАина вОЛIIЫ, 11М
Таблица 15
Световой поток ртутной лампы cBepxBblcoKoro давления
на 200 Вт после прохождения через решеточный ыонохроматор
Показания Т".. 10',(эйнштейн/с'ср)
)", Sy/By J,
нм самописца, 10',эйнштейн!(с 'ср) вычислеио I
10"эйнштейи!(с' ср) измерено
436 5,3 1,90 2,8 7,3 0,31
405 2,5 1,37 1,8 4,7 0,22
366 2,9 1,00 2,9 7,5 0,43
313 1,1 1,08 1,0 2,6 0,31
Рис. 57. Спектр нзлучения ртутной лампы cBepXBbIcoKoro давления (см.
текст и рис. 54).
При М е ч а н и я. Эффективная площадь источиика равна (см. табл. 14) 2,5.1,6+0,8 мм.,
Т. е. 5,0 мм'. Светосила моиохроматора равна 0,13, а полушнрнна IlOIIQCbI 10 нм.
Т)" рассч"тано по уравнению (212):
Т)" ( /o ) (0,13) (!O) 0.26J.
Проиллюстрируем использование данных, приведенных на
рис. 55 59, двумя примерами. Предположим, во-первых, что тре"
буется определить поток в континууме ксеноновой лампы при
280 нм. Из рис. 58 видно, что неисправленная интенсивность
равна 0,19.10 7 эйнштейн/(с,ср) при 280 нм. Величина Sv (из
рис. 54) равна 0,86. Поэтому интенсивность испускания лампы
равна 0,22. 1 0 7 эйнштейн/ (с. ср) для ширины полосы 0,052 MKM l.
Выразив эту ширину полосы в еДиницах длин волн [уравнение
(215)], получаем 0,54.10 8 эйнштейн/(с,ср,нм). Это есть вели-
.чина 1;", которую при желании можно подставить в уравнение
(208). Вычисление интенсивностей линий иллюстрируется в
табл. 15 данными для ртутной лампы BbIcoKoro давления на
200 Вт. Величины во втором столбце получены прямо из рис. 57,
а в третьем из рис. 54. Рассчитанные значения Т;" относятся
к решеточному монохроматору со светоСИЛОЙ 0,13 при полушири
не полосы 10 им. Рассчитанные значения в 8 24 раз больше,
6 Зик. 1281
162
t ЛАВА I1I
АППАРАТУРА И МЕТОДЫ ЭкСПЕРИМЕНТА
163
чем световые потоки, действительно проходящие через монохро-
матор. Это расхождение обусловлено следующими факторами:
а) потери на отражение: 7 пар пропускающих поверхностей
имеют общий коэффициент пропускания OKOiJO 0,5;
'""
<:s
:(
...
. ::,
r;:1 1,0
"'.'"
E
,u
:t: I:!
'::! '"
0,5
:t: QJ
'::: 1:1.
t')
1,5 '""
(s
:(
'"
C:;:
1,0 ;::
'::! '"
E
0,5
'::t
C!),s,
от различных видов люминесценции (см. раздел 1, А, 1). деаль-
ное черное тело поrлощает всю лучистую энерrию любои длины
волны, которая на Hero падает, и спектральное распредел;ние
света, испускаемоrо 'l'аким телом, связано с ero температурои за-
коном Планка. Этот закон обычно выражается так:
dE 2лhс 2 Ал 5 З,7403Ал 5. tO 5
dл [ехр (hс/kл1) 1] [е хр (1,4384/л1) 1] , (224)
rде dЕ/dл энерrия (эрr/с), испускаемая в пределах единичной
ширины полосы (1 см) при длине волны л (выраженной в санти
метрах) идеально черным телом с площадью поверхности А при
ВО.JIIIО60е число, мк,м'/
4,0 3,5 3,0 2,5 2.0 1,2
1,5
250 300 350 400
A.fUHtI 8О./IНМ, НМ
3,0 2.5
/0-8'1.6 5.o'1O 7
1,2 4.0 .......
&
3,0
........
0,8
.
Q"
2.0 Е:
:!
0,4 .
1.0 C'I)
( .
300 350 400 500 БОО 1000 н.м
Рис. 59. Спектр излучения вольфрамовой лампы на 100 Вт (см. текст и
рис. 54).
Рис. 58. Спектр излучения ксеноновой лампы на 350 Вт (см. текст и рис. 54).
температуре Т rрадусов Кельвина, h постоянная Планка, с
скорость света, k постоянная Больцмана (1,3805.10 16 эрr на
rрадус на молекулу). Выраженное в ваттах (1 Вт == 107 эрr/с)
и микрометрах, уравнение Планка имеет следующий вид:
dE 3,7403Ал 5 . 104
dл === [ехр (14 384/л1) 1] Вт на мкм. (225)
б) потери на зеркалах;
в) потери на решетке (отражательная способность умень-
шается с увеличением длины волны);
r) недостаточно хорошая фокусировка изображения источ,
lшка на входную щель.
2. Накаленлые тела
Свет, ИсI1ускаемый телом, Наrретым до высокои TeMI1epaTYpbt,
называется тепЛО8bl.Л1 излучением; этот свет отличается от света,
испускаемоrо в результате возбуждения друrими способами, т. е.
При фотолюминесцентных исследованиях вместо единиц энерrии
часто удобно использовать эйнштейны и вместо длин волн вол-
новые числа. В этом случае уравнение Планка принимает сле-
дующий вид:
dQ 0,3127 М2 . u I 1 1
dv === [exp(14384v/1) I] эинштеин с на MKM ,
(226)
6*
164
r ЛАВА Ш
АППАРАТУРА И МЕТОДЫ ЭКСПЕРИМЕНТА
165
I
:<
0,008
<>
0,006
-.::.
---
'::!
'"
'"
::;
'::!
'"
1;>
';:\
---
о'
';:\
Вольфрамовая лампа фактически не является абсолютно чер-
ным телоМ. Ее полное испускание меньше, чем изобр жено на
рис. 60. Однако форма спектра испускания в видимои области
может быть аппроксимирована спектром испускания абсолютно
черноrо тела при определенной температуре. Температуры, из-
меренные таким способом, называются ц"ветовыми температура-
ми. ЦвеТОВаЯ температура вольфрамовои лампы HeMHoro выше
ее истинной температуры: например, испускание при 2800 К соот-
ветствует цветовой температуре около 2880 К, т. е. доля коротко-
волновоrо излучения HeMHoro больше, чем показано на рис. 60.
Однако абсолютные интенсивности испускания при всех длинах
волн меньше показанных на рисунке. "
Неисправленное реrистрируемое испускание ленточнои лампы
на 100 ВТ (размеры тела накала 17 Х 2,1 мм) показано на рис. 59,
и в сравнении с рис. 58 видно, что она может конкурировать
с ксеноновой лампой (размеры источника 5,9 Х 3,6 мм) только
в длинноволновой области видимоrо спектра, но даже здесь ее
удельная яркость значительно меньше. При использовани для
возбуждения в этой обла(:ти она хороша тем, что имеет деистви-
тельно сплошной спектр и высокоустойчива при стабилизирован-
ном питании через трансформатор. Вольфрамовую ла пу имеет
смысл использовать для возбуждения в длинноволновои области,
коrда не требуются большие интенсивности света. Для возбужде
ния в фиолетовой части видимоrо спектра она используется peд
ко, а. в ультра фиолетовой области в большинстве случаев ее
лучше заменить разрядной лампой. "
Вероятно, наиболее важным применением вольфрамовои лам-
пы в фотолюминесцентных исследованиях является "использова-
ние ее в качестве стандарта для определения кривои спектраль-
ной чувствительности спектрометра в видимой области спектра.
Стандартные лампы можно приобрести вместе с инструкцией по
работе при известной цветовой температуре, из которой по урав-
нениям (225) или (226) можно определить спектральное распре-
деление испускаемоrо видимоrо света. Этот метод калибровки
описан в разделе 111, К, 3.
[де v выражено в MKM I. Уравнение Планка применимо только
для испускания в пространство при абсолютном нуле, но для из-
лучения раскаленных источников в видимой и ультрафиолетовой
областях это практически то же, что и испускание в простран
ство при комнатной температуре.
Спектральное распределение излучения черноrо тела изобра-
жено Нс! рис. 60; оно имеет максиrrум при длине волны, которая
уменьшается при повышении температуры. Для Toro чтобы сдви-
нуть максимум (выраженный в размерно'стях энерrия длина
волны) в середин" видимой области, необходима температура
80,1lновое чис.llО, ,м",м-1
5,02,0 1,0 0,5 0,3
200
..,'
:::::
Е: .
100
Рис. 60. Спектральное распределение излучения черноrо тела при 2800 К.
порядка 6000 К (т. е. температура поверхности Солнца). Наи-
более удобным раскаленным источником является вольфрамовая
лампа накаливания. Такие лампы работают при температурах
порядка 3000 К. На рис. 60 изображены характеристики воль-
фрамовой лампы при 2800 К. Это приблизительно соответствует
температуре стандартных ламп, используемых для калибровки
спектров. Из рисунка видно, что максимум dЕjd'Л, находится
в ближней инфракрасной области при 1 мкм И кривая быстро
падает с уменьшением длины волны. Доля видимоrо света до'
вольно мала, а ультрафиолетовоrо ('Л, < 400 нм) ничтожна.
Излучение в коротковолновой области еще меньше, если изобра-
жать спектральное распределение в размерностях эйнштейн
волновое число (см. рис. 60). Долю ультр афиолетовоrо излуче-
ния можно довольно сильно увеличить, если лампа будет рабо-
тать при более высокой те шературе. но при этом уменьшается
срок жизни лампы. Срок жизни лампы увеличивается в присут-
ствии паров иода в колбе лампы, и такие лампы с кварцевой
оболочкой используются для Toro, чтобы Повысить испускание в
ближней ультрафиолетовой области.
3. Ксеноновые лампы
Для определения полноrо спектра возбуждения флуоресцен-
ции необходима лампа, испускающая в видимой и ультрафиоле
товой области непрерывный спектр большой интенсивности, же
лательно с постоянным квантовым выходом при всех частотах,
чтобы уменьшить поправки. К сожалению, доступные в настоя
щее время источники далеки от этоrо идеала. Мощную вольфра
мовую лампу можно использовать только в видимой области,
но e Иhlенсивность быстро падает в фиолетовой области,
166
rЛАВА 111
а интенсивность в близкой ультрафиолетовой области для боль-
шинства целей слишком мала. Водородная лампа имеет прак-
тически постоянное энерrетическое распределение в ультрафио
летовой области, но ее интенсивность обычно очень Низка для
измерения спектров возбуждения флуоресценции. Ее, однако,
можно использовать для калибровки спектрофлуориметров в
этой области (см. раздел III, К, 3). Для исследования спектров
возбуждения удобно пользоваТDСЯ продажной ксеноновой лампой
А. Ксеноновая "ЩМlll?
С
Б. Ртутная ,;юмпа
R
пОСiпО : ii л : 1 A Тl
т . L
240В С .JW lJ V -4.--SE
пере.менный . . L
ток
Рис. 61. Схемы вкл:очения ксеноновой и ртутной ламп.
L лампа; SE поджиrающий электрод (треХЭ.1ектродная лампа); V вольтметр; А ампер-
метр; S поджнrающее устройство; R реостат; W переключатель; С ИИДУКТИВНОСТЬ;
рр конденсатор. Провода, соединяющие поджиrающее устройство и лампу, и провода,
проходящие через КОЖУХ лампы к 110джиrающему электроду, ДОJJЖНЫ иметь хорошую
Изоляцию, выдерживающую по крайнеЙ мере 50 кВ, для предотвращения искры. При на'
JIИЧИИ TpeTbero поджиrаlOщеrо электрода нужны источник перем:енноrо тока и катушка
индуктивности; в этом с.1'Jучае неоБХОДИ;"Iа катушка Теслы для получения BbIcoKoro на.
пряженпя, llOAaBae,., oro lIа под.жиrающий электрод.
мощностью от 250 Вт до 2,5 кВт. Хотя мощные лампы позволяют
получать свет большой интенсивности, они дороrи и очень сильно
наrреваются. Чаще Bcero используют лампы мощностыо от 250
до 500 Вт. Они имеют малую дуrу большой яркости, так что на
входную щель монохроматора возбуждения можно сфокусиро-
вать сравнительно БОJIЬШУЮ долю света. Ксеноновые лампы
имеют Два недостатка: их интенсивность падает в коротковол-
новой ультрафиолетовuй области (см. рис. 58), а видимая часть
Спектра состоит из КО!iТинуума, на который налаrается большое
число линий (некоторые лампы сОдержат следы ртути, также
даЮщие слабый линейчатый спектр) (см. рис. 58). При низком
разрешении эти линии не иrрают роли, но MorYT проявляться
при высоком разрешении.
АППАРАТУРА И МЕТОДЫ ЭКСПЕРИМЕнтА
161
КаК и все rазоразрядные и дуrовые лампы, ксеноновые лам-
пы имеют «отрицательное сопротивление», т. е. при уменьшении
тока напряжение на лампе увеличивается. Дуrовая лампа по
этому не ыожет работать прямо от источника тока с низким им
педансоы: она или потухнет, или взорвется. В этом случае необ
ХОДИJ\IO включать в цепь балластное СОПРОТИВ"1ение (при питании
ПОСТОЯIIНЫJ\I TOKOJ\I) ИЛИ !ШДУКТlIВНОСТЬ (при питании переменным
током). Часть напряжения источника будет падать на балласте,
и при увеличении тока в цепи напряжение на лампе автомати-
чесКИ уменьшается. На рис. 61 изображена типичная схема цепи
для включения ксеноновой лампы. Специальное пусковое устрой-
ство, необходимое для включения ксеноновой лампы, а также
схема включения в цепь постоянноrо или переменноrо тока обыч-
но прилаrаются к лампе. При рабочем напряжении около 20 В
лампа на 500 Вт имеет силу тока около 25 А. В случае перемен-
Horo тока напряжением от 240 В в цепь последовательно с лам-
пой включается катушка индуктивности (рис. 61), действующая
как баЛJiаст, на котором в основном и падает напряжение. Для
замыкания токов высокой частоты в цепь необходимо включать
конденсатор. В таком режиме работы стабильность cBeTOBoro по
тока ксеноновой лампы вполне достаточна для использования
в спектрофлуориметре (см. раздел III, Ж, 3). Если нужно иметь
очень стабильный световой поток, лучше работать с постоянным
током.
4. Ртутные лампы
При измерении спектров флуоресценции или фосфоресценции
часто нет необходимости иметь возбуждающий свет с большим
набором длин Вr)ЛН, таким, как у источника с непрерывным
спектром. Выделяя одну из линий ртутной лампы, можно полу-
чить значительно большие интенсивности при высокой чистоте
спектра. Спектральное распределение света рiуТНОЙ дуrи зависит
от давления, при котором работает лампа; по этому признаку
ртутные лампы делятся на три типа: лампы низкоrо давления,
или резонансные лампы, лампы среднеrо давления и лампы вы-
coKoro давления.
5. Ртутные лампы низкоzо давления
Простейший тип ртутной лаJ\1ПЫ низкоrо давления это квар-
цевая (или из синтетической двуокиси кремния) трубка длиной
30 50 см и диаметром около 1 см, содержащая каплю ртути, и
инертный rаз (при давлении несколько J\lиллиметров) для облеr-
чения зажиrания лампы. Трубка имеет по одному электроду на
каждом конце и может питаться от сети переменноrо тока через
168
rЛАВА III
трансформатор с выходным напряжением около 1000 В, который
к тому же может иrрать роль балласта. Такие лампы имеют
мощность в несколько десятков ватт и работают при сравнитель-
но низких температурах, так чтО давление паров ртути лишь He
MHoro больше, чем при комнатной температуре ( 10 З мм). При
этих условиях почти все излучение сосредоточено в линиях 253,7
и 185,0 нм, что соответствует переходам ЗР t 150 и IP 1 150
,., 8,0
.
ti
I
. 6,0
/i:
:о:
\1)
: 4,0
I
:z:
!
!?:-iZ'o
,
i
<1)
:t:
с!) О
6 1 p'
t:>
1:6' ':)
JI
6 1 S 0 (ОСНО8ное состояние)
Рис. 62. Переходы, соответствующие некоторым интенсивным линиям ртути.
Приведены обозначения возбужденяых состояний H знерrии уровней. Для каждоrо пере-
хода указаны длины волн линий в нанометрах.
(рис. 62). Последний переход являетСЯ разрешенным. Первый Пе-
реход, запрещенный по спину в случае леrких элементов, у ртути
довольно хорошо разрешен по той причине, что ДJIЯ тяжелых эле-
ментов синrлетные состояния имеют примесь триплетноrо харак-
тера, а триплетные состояния некоторую примесь синrлетноrо
характера.
Если лампа изrотовлена из чистоrо кварца или из синтетиче-
ской двуокиси кремния, линия 185 нм очень интенсивна, но она
поrлощается, если в кварце есть при меси. Эта линия также по-
rЛОЩается воздухом, при этом образуется озон, присутствие ко-
Toporo нежелательно, поскольку он поrлощает линию 253,7 нм и
ДОВОльно токсичен. Поскольку ртутные лампы низкоrо давления
при меняются в спектрофлуориметрии как источники линии
253,7. нм, то кварц с примесями имеет преимущество перед чи-
стым кварцем, поскольку в первом случае образование озона
АППАРАТУРА И МЕТОДЫ ЭКСПЕРИМЕНТА
169
меньше. общий выход излучения при 253,7 нм довольно высок
(см. рис. 55), но ИЗJiучение распределено вдоль всей длины труб
ки и в монохроматор удается ввести лишь небольшую ero долю.
П этому наилучШИЙ способ использования таких ламп для воз
буждения люминесценции ЭТО выделение линии 253,7 нм с по
МОЩЬЮ фильтров. Можно приобрести лампы в виде спирали,
которые леrко расположить BOKpyr цилиндрической кюветы так,
чтобы получить наибольший световой поток через образец. В
большинстве случаев такое расположение неу добн.о для воз-
буждения люминесценции, и поскольку лампы низкоrо давления
имеют только одну достаточно интенсивную линию, они редко
используются в спектрофлуориметрии. Однако степень монохро-
матичности света при 253,7 ны вполне достаточна для l\lноrих
фотохимических задач и ero можно использовать без дальнейшеЙ
фильтрации.
Линии 253,7 и 185 ны соответствуют переходаl\l 13 основное со-
стояние, ПОЭТОl\lУ их леrко можно наблюдать также и в поzлоще-
нии (поэтому они часто называются резонансныл1U линиями).
Именно по ЭТОЙ причине их можно получить только с лаl\шаl\1И
низкоrо давления. При высоких давлениях ртути, получающихся
при высоких температурах в лампах среднеrо давления, линия
становиТСЯ шире, и rорячая испускающая свет область окружена
холодными концентрированными парами ртути, которые почти
полностью поrлощают центральную часть линии. Спектр в этой
области состоит поэтому из широкой линии с узким провалом
около 253,7 нм (см. рис. 56, нижний спектр).
6. Ртутные лампы средне20 давления
На рис. 63 изображена одна из разновидностей ламп среднеrо
давления, а ее спектр показан на рис. 56. Энерrия лампы pac
сеивается в значительно l\lеньшем объеме, рабочие температуры
и давления MHoro больше (около 1 атм), и спектры испускания
сильно отличаются от спектров ламп низкоrо давления. Боль-
шинство атомов ртути возбуждаются до высших состояний и
испытывают множество переходов, не включающих основное со-
стояние (некоторые из этих переходов показаны на рис. 62).
Свет, испускаемый при этих переходах, не перепоr лощается, так
как заселенность возбужденных уровней при этих давлениях
низка, и при мноrих длинах волн получается почти ыонохроыа,
тический свет. Лчнии несколько уширены в результате СТОЛКIIО
вений с друrими атомами, а центральная часть резонансной ли-
ни:{ 253,7 нм исчезает из-за самопоrлощения (см. предыдущий
ра.здел). Об этих спектрах испускания необходимо сказать сле-
дуюшее. Во-первых, переход 6 З Р о 6150 дваждЫ запрещен [так
как это триплет синrлетный переход и, кроме Toro, это переход
170
rЛАВА 111
АППАРАТУРА И МЕТОДЫ ЭКСПЕРИМЕНТА
111
А
Б
в
r
Мноrие продажные лампы среднеrо давления мощностью
100 200 Вт питаются от сети перемеНtIOrо тока 240 В с индук-
тивностью, включенной последовательно. Однако они MorYT ра-
ботать и от постоянноrо тока с балластным сопротивлением по
схеме, показанноЙ на рис. 61 для ламп BbIcoKoro давления. Рабо
тать с переменным током удобнее, и, поскольку световоЙ поток
при питании лампы среднеrо давления переменным током ДOCTa
точно стабилен, обычно используют этот метод. Необходимо,
однако, помнить, что все дуrовые лампы, работающие на пере
менном токе, дают свет, почти полностью модулированный ча-
стотой, равной удвоенной частоте сети. Для измерения быстрой
флуоресценции это не имеет значения, но для количественных
измерений долrоживущей люминесценции с помощью спектро
фосфориметра с прерывателем света источник модулированноrо
света неприемлем, и в этом случае желателЬно использовать по-
стоянный ток или выпрямленный переменный трехфазный ток.
между дву я состо ниями, имеющими одинаковый (равный HY
лю) полныи уrловои момент], и в спектрах поrлощения он не Ha
блюдается. Состояние ЭРа, однако, заселяется за счет ударной
дезактивации Состояния зр j , и, если не происходит активации
метастабильноrо состояния, атом остается в нем, пока не перей
дет (с испусканием кванта 265,5 нм) в о\'новное состояние. По-
скольку ЭТО не резонансная линия, то в лампе среднеrо давления
t
1_ JOСМ '1
7. Ртутные лампы вЫСОКО20 давления
Эти лампы работают при еще более высоких температурах и
при давлениях в десятки и сотни атмосфер. Уширение спектраль-
ных линий, обусловленное температурой и давлением, в этом
случ ае больше, но интенсивность континуума тоже больше (см.
рис. 57). Как было сказано выше, излучение в области 255
275 нм в ЭТИХ лампах почти полностью отсутствует. Наиболее
часто используются компактные лампы BbIcoKoro давления. Они
состоят из небольшой кварцевой колбы с двумя мощными элек-
тродами и имеют сравнительно небольшую длину дуrи; по KOH
струкции эти лампы похожи на ксеноновые лампы, описанные
ранее. Дуrа в этом случае занимает малый объем, и за счет этоrо
достиrается очень высокая удеЛЬН2Я яркость. Некоторые лампы
имеют третий электрод для поджиrа, который впаян в боковую
часть колбы. Малые размеры источника и большая яркость этих
ламп особенно удобны при использовании их с монохромато.
ром для выделения широких линий ртути с длиноЙ волны более
297 нм. Они также имеют полосу испускания в области 250 нм.
Спектр испускания ламп BbIcoKoro давления (см. табл. 14) ана-
лоrичен по форме спектру ламп cBepxBbIcoKoro давления (см.
рис. 57), но линии имеют несколько меньшее ударное уширение.
Выход света на 1 Вт входной мощности у этих ламп приблизи-
тельНо одинаков.
Как ДBYX , так и трехэлектродные лампы, работающие на пе.
ременном токе, имеют дроссель, который включается последова
тельно, но в этом случае дуrа нестабильна. Она колеблется от oд
ной точки электрода к друrой, и при фокусировании ее на входную
щель монохроматора выходной пучок света флуктуирует
Рис. 63. Типичные формы JIа:I!П.
ртутная лампа низкоrо давления; Б ......КсеНоНоВая лампа BbICOKoro давления На 500 Вт
ртутная лампа средиеrо давдения на 100 Вт; r ртутная ла'lIIа CBepXBbICOhO 'о '
ниs! На 200 Вт. ' ;J,aB.Ie.
она не перепоrлощается и испускается с достаточной интенсив
ностью (см. рис. 56). BO BTOpЫX, в интервале 255 275 нм в
сп ктрах ламп среднеrо давления имеется некоторое число ли-
нии, а в спектрах ламп BbIcoKoro давления в этом интервале ни-
KaKoro излучения практически нет.
Некоторые интенсивные линии расположены близко друr к
друrу, и для возбуждения они обычно выделяются вместе. (Они
не разре ены на нижнем спектре рис. 56, поскольку использует
ся мелкии масштаб.) Примерами таких линий MorYT служить две
желтые линии 577,0 579,1 нм, rруппа трех линий 365 0 3 66 3
r U 3 ' ,нм,
руппа линии OKOJ ,O '13 нм и rруппа линий 297 303 нм. Длп
большинства целеи такие rруппы можно считать достаточно
монохроматичными, но при некоторых точных работах, rде не-
обходимо определять скорость поrлощения света веществом,
имеющим крутую кривую поrлощения в области одной из rрупп
ВОЗникают некоторые трудности (см., например, раздел IV, А, 5).'
Особая трудность возникает в случае ламп BbIcoKoro давления
потому что, кроме Bcero прочеrо, линии сильно расширены и ин
тенсивность континуума значительно больше.
172
t ЛАВА i!I
АППАРАТУРА И МЕТОДЫ ЭКСПЕРИМЕНТА
173
в широких пределах. Более. высокая стабильность Достиrается
использованием постоянноrо тока с балластным сопротивле-
нием. Двухэлектродные лампы обычно продаются со специаль-
ным пусковым устройством, которое дает импульс BbIcoKoro
напряжения на электроды поджиrа лампы. Несколько друrая
схема приведена на рис. 61. В цепи имеется небольшой дроссель.
Лампа начинает работать на переменном т')ке, а через несколько
секунд переключается на постоянный ток. Этот способ приме-
нялся автором в течение ряда лет с лампоЙ TaKoro Тl па на 1 кВт.
Для получения высокоЙ стабильности и долrовечности лампы
подбирается такое балластное сопротивление, чтобы на лампе
выделялась мощность около 700 Вт. При этом выход света
уменьшается почти вдвое, но зато достиrается высокая стабиль-
Ность и долrовечность лампы. Лампы, предназначенные для ра-
боты с постоянным током, на переменном токе не работают, и по
вопросу ВКЛючения в цепь переменноrо тока следует проконсуль-
тироваться с изrотовителями. Трехэлектродные лампы, включен-
ные в сеть постоянноrо тока (120 В), зажиrаются подачей на-
пряжения от трансформатора Теслы к третьему электроду. В та-
ком случае источник переменноrо тока и дроссель, указанные на
рис. 61, не нужны.
8. Лампы, содержащие apyzue элементы
Для калибровки спектрометров, определения показателя пре-
ломления и друrих целеЙ широко используются натриевые лам-
пы. В спектрофлуориметрии они применяться не MorYT, посколь-
ку имеют малый выход света. Эленбаас и Рименс [133] описали
множество ламп, используемых для получения атомных спектров.
В табл. 16 приведены интенсивности большинства сильных ли-
ний, испускаемых кадмиевыми и цинковыми лампами на 25 Вт.
Размеры этих источников HeMHoro больше, чем размеры ртутных
ламп среДНеrо давления на 125 Вт (см. табл. 14), и поскольку
интенсивности линий меньше, чем у ртутной лампы (ср. табл. 16
и рис. 56), они применяются 'j'ОЛЬКО тоrда, коrда не может быть
использована ни одна из ртутных линий. Лампы среДНеrо и вы-
cOKoro давления, содержащие ртуть помимо кадмия и (или) цин-
ка, наиболее часто используются в спектрофлуориметрии. Ком-
пактная лампа BblcOKoro давления, содержащая ртуть и кадмий,
описана Нельсоном [134]. Эти лампы работают на постоянном то-
ке. В табл. 17 приведено типичное для этих ла мп спектральное
распределение.
9. Минимальные размеры источника
Из уравнения (206) видно, что световой поток, проходящий
через монохроматор, в расчете на единичную полуширину по-
лосы равен произведению яркости источника (/JAu) и светосилы
Таблица 16
Интенсивности наиболее сильных линий или rрупп линий
кадмиевой и цинковой ламп на 25 Вт
Кадмиевая лампа
Цинковая лампа
длина волны, I интеиеивиоеть.lО', длина ВОЛНЫ, интенсивность- 108,
ИМ эйиштейи/(е. ер) нм эйнштейи/(е'ер)
643,8 0,8 636,2 0,6
508,6 2,1 481,0 1,9
480,0 2,0 472,2} 2,5
468,0
467,8 1,2
361'5}
361,3 0,9
361,1
346,8} 0,7
346,6
340,2 0,3 334,6} 0,5
334,5
330,3 0,6
328,2 0,2
326,1 } 1,5
325,3
313,3 0,05
307,6} 0,6
307,2
298,1 0,11
288,1 0,09
283,7 0,05
280,1 0,05
277,1 0,05
277'5}
276,4 0,04
275}
228,8 2,5
213,9 0,7
монохроматора. Это показывает, что для ИСТОЧНИКОв с одинако-
вой отдачей света световой поток через монохроматор будет тем
больше, чем меньше площадь Аи. Однако световой поток, прохо-
дящий через монохроматор, не может превышать общеrо испу-
скания источника в направлении собирающей линзы, т. е. он не
может быть больше 2лJ')... Практически трудно создать такую
систему линз, Которая собирает свет в пределах телесноrо уrла,
paBHoro 2л ср, поэтому мы предполаrаем, что максимальная апер-
тура собирающей линзы (L] на рис. 45) равна 3 ср. В соответ-
ствии с этим предположением минимальная высота ИСТОЧНИка,
которую можно испОЛьзовать при работе с узкими щелями моно-
хроматора, определяется уравнением (199), а именно
SМИIl === Fh! Vз. (227)
174
r ЛАВА !II
АППАрАТУрА И МЕТОДЫ ЭКСПЕРИМЕНТА
175
Таблица 18
Минимальные высота и ширина источника
т а6лuца 17
Относительные интенсивности линий
ртутно-кадмиевой лампы
BbIcoKoro давления на 2,5 кВт
MOHOXpO
матор
Ь мин .
ММ
Э 1емент
SMHH.
мм
W МЗКС ,
ММ
I Длина ВОЛНЫ I Относнтельная
им . квантовая
интенсиВность
1
2
3
7
5
3
8
7
3
12
20
25
20
8
12
30
60
80
20
20
100
1 2,9 10 1,2
2 1,5 1,75 0,14
3 1,8 3 0,50
4 0,52 2 0,07
5 5,2 6 0,62
Cd
Cd Hg
Cd Hg
Cd Hg
Hg
Cd
Cd Hg
Cd
Hg
Cd
Cd
Cd
Hg
Hg
Hg
Cd
Cd
Cd
Hg
Hg
Cd
276
284/285
288/289
297/298
302
308
313
325/326
334
340
347
361
365/366
405/408
436
468
480
509
546
577/579
644
освещения. Поэтому с монохроматором Ng 5 более эффективно
использовать лампу BbIcoKoro давления на 1000 Вт.
(228)
10. Примеры получаемых световых потоков
Если известны характеристики излучения ламп, такие, как на
рис. 55 59 или в табл. 16, и светосила монохроматора, то с по-
мощью уравнений (208) или (2J2) можно вычислить макс маль-
ный световой поток при даннои ширине полосы для любои ком-
бинации лампы и монохроматора. При использовании этих
. уравнений светосилу l\{OHoxpOMaTopa нужно умножить на ero
про пускание, которое для решеточных при боров при некоторых
неблаrоприятных длинах вор н может снижаться до 0,1. Получае
мые световые потоки зна чительно меньше вычисленных (см.
табл. 15), так как яркость источника неодинакова по ero пло:
щади, и желательно расфокусировать изображение на входнои
ще.r.и (см. раздел III, В, 6). В табл. 19 и 20 приведены примеры
световых потоков, попадающих на кювету флуориметра, которые
были получены с помощью монохрома торов или фильтров. He
обходим о сделать два замечания. Во первых, интенсивности
Таблица 19
Световые потоки, проходящие через кварцевый призменный
монохроматор .N'v 2
(светосила указана на рис. 51)
При увеличении ширины щели наступает такой момент, коrда
изображение источника уже не заполняет входную щель, и тоrда
лимитирующим фактором становится ширина ИСточника Ь. Ми-
нимальную ширину источника для данной максимальной щели
W MaKC можно также вычислить из уравнения (199), так как
Минимальные значения высоты и ширины источника, вычислен
ные из данных для монохроматоров, приведенных в табл. 12, да-
ны в табл. 18.
Все источники, описанные в табл. 14, имеют ширину, боль-
шую или равную ширине, приведенной В четвертом столбце
табл. 18. Высота некоторых из них меньше Минимальной. На-
пример, лампу cBepxBbIcoKoro давления на 200 Вт нельзя сфоку-
сировать так, чтобы она полностью заполнила по высоте щель
монохроматора Ng 5 и удовлетворяла условиям оптимальноrо
Поэтому
b/s == w/h.
Ь мин == wмаксF/V З .
(229)
Длина волны,
нм
Полная ширина
полосы раничные
проходящие Д lИНЫ
волн (прибл.)].
нм
Световой поток. 10', эйнштеi!н!с
ртутная лампа I ксеноновая
B K o7g BB: лампа на 375 Вт
436
405
366
313
248
14
8
15
5
0,8
4
2
1
0,3
0,02
473 406
435 381
390 350
329 302
243 253
176
rЛАВА 111
АППАРАТУРА И МЕТОДЫ ЭКСПЕРИМЕНТА
177
Таблица 20
СЕетовой поток ртутных линий, вЫделяемых
с помощью монохроматоров или фильтров
А
Б В
1,4 0,7
1,9 1,5
3,1 3,1
2,2 0,8
4,3 3,2
1,3
3,1
2,0
0,2
для защиты как от прямоrо света лампы, так и от света из вы-
ходной щели Ы0нохроматора. Необходимо иметь в виду, чтО при
работе в затемненной комнате в rлаз попадает значительно боль-
шая доля окружающеrо света, и свет, проникающий через He
большие отверстия в кожухах ламп, практически безвредный в
хорошо освещенной комнате, при продолжительном воздействии
в затеl\lненной коынате может вызывать неприятное ощущение.
При наблюдении флуоресценции образцов, облучаемых ультра-
фиолетовым светом, необходимо надевать защитные очки. При
выборе стекол для очков нужно помнить, что большинство Be
ществ флуоресцируют в коротковолновой фиолетовой части ви-
димоrо спектра, и фильтр из бесцветноrо стекла поrлощает фио
леТОВ IЙ свет почти полностью. ИдеальнЫМ является стекло с
резким спадом поrлощения около 380 нм. Пропускание стекол
для очков желательно проверять на спектрофотометре. Не сле
дует смотреть прямо на источник ультрафиолетовоrо излучения.
Защитные очки, используемые в этом случае, нужно также про.
верять на отсутствие пропускания инфракрасных лучей TeMHO
зеленые стекла иноrда имеют удивительно большое пропускание
в ближней инфракрасной области. При работе с интенсивными
источниками света необходимо защищать и кожу, так как можно
получить неприятные ожоrи.
При обращении с лампами BbIcOKoro давления необходима
осторожность, поскольку давление rаза в них велико уже при
комнатной температуре, а в rорячем состоянИи лампу может
разорвать. Необходимо работать с защитным кожухом, и после
выключения ero можно снимать только тоrда, коrда лампа осты-
нет. Кварцезые колбы ламп среднеrо и BbIcoKoro давления нужно
по возможности меньше брать руками, так как заrрязнения
уменьшают пропускание. Рекомендуется после установки лампы
и перед работой протереть кварц тканью, смоченной сначала эта
нолом, затем водой и вновь этанолом.
Свет с длиной волны короче 200 нм довольно хорошо поrло-
щается кислородом воздуха, и при этом образуются высокие
концентрации озона. Баллоны большинства ультрафиолетовых
источников света довольно прозрачны в области ртутной линии
185 нм, и образование озона нежелательно по двум причинам.
Во первых, озон весьма токсичен и, BO BTOpЫX, сильно поrлощает
в области длин волн короче 300 нм. Если лампа находится в ко-
жухе, охлаждаемом воздухом, то желательно уводить озон из
кожуха или по крайней мере работать с лампой в постоянно
проветриваемой комнате. Образование озона можно уменьшить
продуванием через кожух азота. Рекомендуется также помещать
лампу в полностью закрытый кожух, в этом случае устанавли
вается стационарная концентрация озона и изменения в поrло-
щении ОЗOflа минимальны. Если, однако, интенсивность света
Световой nOTOK.IO'. эйнштейнjс
Длина волнЬ1,
нм
577/579
546
436
405
366 4,8
334 1,7
313 2,7
297/302 2,1
248 (полоса)
А. Большой кварцевый призменный моно.
хроматор (N2 5 на рис. 51) с ртутной лампой вы.
COKoro давления на 700 Вт. Полуширина по-
лосы 10 нм при 300 нм.
Б. Ре.шеточнь й монохроматор (N2 3 на рис. 51)
с ртутнои лампои BbJcoKoro давления на 200 Вт.
Полуширина полосы 10 нм.
В. Ртутная лампа среднеrо давления на 125 Вт
с фильтрами.
При м е ч а н и е. Лампа низкоrо давления
на 100 Вт с длиной электродов 2 см каждый да-
вала световой поток 3. 10 8 эйнштейн/с при
254 нм через диафраrму площадью 4 см 2 , рас-
положенную на расстоянии 2 см от лампы.
монохроматическоrо света, получаемоrо от ртутной лампы с мо-
нохрома::ором NQ 2 (табл. 19), были значительно больше интен-
сивностеи света ксеноновой лампы, хотя полуширина полос очень
велика и свет ксеноновой лампы немонохроматичен. BO BTOpЫX
для лампы данной мощности при использовании фильтров интен
Сивность ртутной линии больше, чем при использовании моно-
xp MaTopa большой светосилы (табл. 20). Однако фильтрован-
ныи свет содержал некоторую долю нежелатеЛЬНblХ длин волн:
2,5; 7,3; 12,7; 14,1 и 8,6 % соответственно для длин волн указан-
ных в четвертой rрафе табл. 20. Применение фильтров более дe
тально обсуждается в разделе III, r.
11. Предосторожности при работе с иСточниками
ультрафиолеТО80Z0 излучения
Коротковолновый ультрафиолетовый свет даже малой интен
сивности вреден для rлаз, поэтому необходимо принимать мерь)
178
rЛАВА III
АППАРАТУРА И МЕТОДЫ ЭКСПЕРИМЕНТА
179
в области длин волн короче 200 нм довольно велика, то при та-
ком способе сильно уменьшается интенсивность света в интер-
вале 240 280 нм. Закрытый кожух нужно охлаждать водой; на
рис. 64 показаны два типа охлаждаемых кожухов. Небольшая
короткофокусная Линза, вставленная в боковую стенку кожуха,
как показано на рисунке, ПОЗволяет использовать линзу малых
размеров для фокусирования пучка на входную щель монохро-
матора, и потерь света практически удается избежать. Кожух
А
"
I
I
I
I
I
+--
'\ ,, .
' -- ++
в продаже имеют,:я различные стеклянные и желатиновые
фильтры; подробное ОПИСание и кривые пропускания можно
найти в каталоrах (например, Corning Glass Works, Corning,
New York; Cllance Pilkington, Glascoed Road, St. Asaph, Flint-
shire, U. К, England). Силл [135] определил кривые пропуска-
ния 88 стеклянных и желатиновых фильтров и 98 комбинаций
двух фильтров. Эти даНные особенно полезны при изrотовлении
системы фильтров для конкретното применения. В продаже
Б
:00
5Т
1
Рис. 65. Кривые пропускания фильтров, отсекающих коротковолновую
область.
1 раствор метилвиолета в воде (0,02 r/IOO мл), толщнна 1 см (пропускает также свет
с длиной волны менее 460 нм); 2 paCTBOp родамина Б в воде (0,2 r/1QO Мл), толщииа 1 см;
3 раствор Na,Cr,O,.2H,O в воде (50 с/100 мл), толщина 1 см; 4 раствор K,Cr,O, в воде
(10 r/IOO мл), толщина 1 CM;.1i раствор K,Cr,O, в воде (0,5 С/100 мл), толщина 1 см;
б раствор K,CrO, в воде (0;Тс/100 мл), толщина 1 см; 7 paCTBOp 75 r NaNO, в 100 мл
воды, толщина 1 см; 8 paCTBOp NaNO, в воде (1 с/l00 мл), толщина 1 см; 9 2 М paCT
вор KNO, в воде, толщина 2 см; 10 0,2 М раствор KNO, в воде, толщина 2 см; 11 раст'
вор бифталата калия в воде (0,5 с/I00 мл), толщина 1 см; 12 раствор CuSO,.5H,O в воде
0,5 с/100 мл), толщина. 1 см; 13 paCTBOp /(1 в воде (0,17 с/100 мл), толщина 1 см; 14 4 н.
раствор уксусной кислоты в воде, толщина 1 см.
75
..;
"
:z:
с3
50
::r,
t:
О
t:: 25
14
200
700
Рис. 64. Два типа кожухов ламп, охлаждаемых водой.
типа А (рис. 64) обеспечивает более .эффективное охлаждение и
приrоден для использования лампы на 1 кВт. Ето, однако, труд-
нее изrотовить, чем кожух типа Б.
r. ФИЛЬТРЫ
можно также найти интерференционные фильтры, имеющие СПе
цифическую узкую полосу пропускания. Обычно, их максималь-
ное пропускание значительно ниже, чем широкополосных фильт;
ров друrих ТИ1l0В. Кроме этоrо, стоимость набора интерферен-
ционных фильтров для измерений в широком интервале длин
волн приблизительно та же, что и неболыпоrо решеточноrо MOHO
хрома,ора, имеющеrо аналоrичные характеристики.
В литературе описано множество жидкостных фильтров [99,
136, 137]. По форме кривых пропускания жидкостные фильтры
обычно можно отнести к одной из следующих двух основных
rрупп: отсекающие коротковолновую область и пропускающие
широкую полосу. Фильтры первой rруппы сделать очень леrко,
так как большинство соединений имеют электронные спектры по
rлощения, простирающиеся от коротковолновой до длинновол-
Новой области. Таким образом, концентрированные рё:!.створы
1. Общие замечания
Фильтры можно использовать вместо монохроматоров боль
шой светосилы или в сочетании с монохроматором для увеличе-
ния ето эффективности. Фильтры применяются также для вы-
деления полосы возбуждающеrо света при измерении спектра
люминесценции или для выделения нужной полосы люминесцен
ции при измерении спектра возбуждения. В простых флуоримет-
рах для обеих целей используются фильтры, в этом случае мощ-
НО обойтись без MOHoxpoMaTOpOI!.
180
r ЛАВА III
АППАРАТУРА И МЕТОДЫ ЭКСПЕРИМЕНТА
181
поrлощать почти весь ВИДИМЫЙ свет. Там же приведена кривая
для одноrо rазообразноrо (хлор) фильтра. Ero изrотовляют, про-
пуская сухоЙ хлор в кварцевую кювету через узкую боковую
трубочку. Подводящую трубку затем удаляют, а боковую трубку
запаивают. Присутствие небольших количеств воздуха в хлоре
не имеет большоrо значения, и, если кювета была тщательно вы-
мыта и высушена перед заполнением, такоЙ фильтр в течение
долrоrо времени сохраняет значение cBoero пропускания. Фильтр
толщиноЙ 4 см отсекает все длины волн в интервале 285 385 нм.
Для изrотовления фильтра с достаточно узкоЙ полосой
[lропускания обычно объединяют широкополосныЙ фильтр про-
пускания, который имеет нужную длинноволновую rраницу
пропускания, с подходящим односторонним фильтром, отсекаю-
щим коротковолновую область. Ниже приводятся примеры Ta
ких комбинаций.
2. Фильтры для выделения возбуждающеzо света
В табл. 21 приведены комбинации фильтров для выделения
одной или более основных линий спектра ртутной лампы. Боль
шинство фильтров обеспечивает довольно хорошую спектраль-
ную чистоту, хотя комбинации, включающие стеклянные фильтры
Таблица 21
Фильтры для выделения линий
pTYTHoro спектра
(см. рис. 65 и 66)
большинства соединений можно использовать как OДHOCTOpOH
иие отсекающие фильтры. Если, однако, пропускание фильтра на
некотором участке коротковолновой области еще слишком вели-
ко, то необходимо добавить друrой фильтр из вещества с сильным
поrлощением в интересующей области, rде поrлощение первоrо
фильтра мало. На рис. 65 показаны кривые пропускания неко,
торых жидкостных отсекающих фильтров. Они приведены как
100
r
. 75
50
<:::
R
t::: 25
700
200
600
ИНCI во.АНЫ, нм
Рис. 66. Кривые пропускания широкополосных фильтров.
А раствор CuCI 2 .2H,o в 8 и. НС] (5 r/lOO мл), ТО.1щииа ] см; В раствор CuSO,.5H.O
в 5 н. rидроокиси аммония (2,5 r/lOO мл), толщина 1 см; В раствор иода в четыреJО<ло'
ристом уrлероде (0,75 r/lOO мл), толщииа 1 см (также пропускает свет с длиной волны
более 650 нм); r сТеКляННый фильтр Чанса Пилкинrтоиа ОХ7, толщина 2 мм (также
. пропускает евет с длиной волнь! более ббО нм); Д стеКлянный фильтр Чанса Пилкинr-
тона ОХ9А, толщина 3. мм (также пропускает свет с длиной волны более 680 нм);
Е раствор KCr(SO.),. !2Н,о в 1,0 н. H,SO. (15 rll(\O мл), толщи!!а 2 см (имеет интервал
с малым пропусканием в видимой области); Ж хло,) под давлением I атм в ячеЙке 4 см
из двуокиси кремния (также пропускает свет с ДЛI\!!ОЙ Во.1ИЫ более 380 им).
Вещества для филиров в улирафиолетовой области не должны содержать ионов
железа. Хромоалюминиевые квасцы лучше получать восстаиовлением дважды перекри-
сталлизованноrо l(,Cr,O, этанолом с последующей перекристаллизацией.
Длина волны.
нм
К:омбинация
фильтров
пример, и желательно, чтобы исследователь сам измерил про-
пускание выбранноrо фильтра, особенно если необходим фильтр
с очень малым пропусканием при всех длинах волН короче дли-
ны волны отсекания. Изменяя концентрацию и (или) длину опти-
ческоrо пути, можно HeMHoro изменить длину волны полноrо
отсекания.
Труднее подбирать вещества для широкополосных фильтров,
так как для этоrо требуются соединения с большим интервалом
длин волн между первоЙ и второй полосами поrлощения с малым
коэффициентом экстинкции в этом интервале. Для видимой об
ласти приrодны некоторые красители, широко используются
также растворы солей переходных металлов. На рис. 66 пока-
заны кривые пропускания двух очень часто используемых стек-
лянных фильтров, с помощью которых можно ВbIделять длины
волн ближней и среднеЙ ультрафиолетовой области и при этом
250+265
302 + 313 + 334 (HeMHoro)
313 + 334 (HeMHoro)
334
366
405 + 436
405
436
546 + 578
546
578
ж+r
Е
Е+ 11
Е (1 см)+lО
Д+9
Б+8
В+8
Б+7
А (+5)
А + н (+5)
А+3
При м е ч а н и е. Н дидимовое стекло
Чанса Пилкинrтона толщиной 2 мм; оно пропу'
скает 80% при 546 нм и 1 % при 578 нм.
ОХ9А или ОХ?, пропускают также в далекой красной и близкой
инфракрасной областях. Свет этой области можно отделить с по
мощью 1. или 2-сантиметровой кюветы с 10%-ным (вес/объем)
\82
r ЛАВА 111
АППАРАТУРА И МЕТОДЫ ЭКСПЕРИМЕНТА
183
раствором сульфата меди в 0,1 н. серной кислоте, но этот раствор
сильно поrлощает в области короче 320 нм. С помощью фильт
ров, предложенных Калвертом и Питтсом в книrе «Фотохимия»
[99], можно получить повышенную спектральную чистоту с
уменьшенным пропусканием (в некоторых случаях). В ЭТОЙ !<ни-
[е приведены подробные данные о спектральноЙ чистоте и свето-
стойкости жидкостных фильтров для выделения линий pTYTHoro
<:s
"
'"
00":
!i?@-
10'"
:::!i3
fi!
",----
1:
случай показан на рис. 67. На рисунке изображен спектр испу
скания смазочноrо масла, адсорбированноrо на фильтровальной
бумаrе, при фронтальном освещении. Как видно, количество све-
та, рассеянноrо образцом, довольно значительно инебольшая
доля рассеянноrо света всех длин волн, проходящеrо через реше-
точный MOHOXpOl\laTOp, налаrается на спектр испускания образца
(кривая 1). Использование комбинации хлорноrо и ОХ7 фильт-
ров в сочетании с монохроматором позволяет избавиться от
этоrо наложения (кривая 2). При измерениях с очень высокой
ЧУВСТ,'Зительностью рассеянный свет из решеточноrо монохрома-
тора является существенным даже в случае растворов при облу
чении под прямым уrлом. Такой пример приведен на рис. 150
(rл. У).
Иноrда для Toro, чтобы удалить спектры BToporo порядка
возбуждающеrо света, выделяемоrо решеточным монохрома то-
ром, приходится использовать фильтр. Например, если монохро-
матор установлен на пропускание линии возбуждающеrо света
OKOJiO 50С нм, то через монохроматор будет проходить также не-
большая доля света с длиной волны 250 нм. Этот свет можно
удалить подбором соответствующеrо отсекающеrо фильтра, на-
пример для удаления света с длиной волны 250 нм используют
обычную плоскую стеклннную пластинку.
В некоторых случаях необходим фильтр с большой эффектив-
ностью. Например, при определении бенз- (а) -пирена в заморо-
женном кристаллическом н-октане (см. раздел У, Д, 8) большая
доля возбуждающеrо света проходит в анализирующий моно-
хроматор, и при использовании фильтра ОХ9А толщиной 3 мм
для выдел ния линии 366 нм возбуждающеrо света возникает
большая фоновая люминесценция из-за небольшоrо пропускания
этоrо фильтра при длине волны 405 нм. Пропускание на длине
волны 405 нм уменьшается до приемлемоrо уровня при исполь-
зовании трех фильтров ОХ9А толщиной 3 мм, причем пропуска
ние всей системы фильтров на длине волны 366 нм остается еще
достаточно высоким (47 %).
3. Выделение флуоресценции или фосфоресценции
Одной из основных функций фильтра, используемоrо для
выделения полосы флуоресценции, является поrлощение возбуж-
дающеrо света, рассеиваемоrо образцом. Фильтр не" должен
флуоресцировать, иначе будет реrистрироваться большои сиrнал
посторонней флуоресценции фильтра. По этой причине мноrие
стеклянные и желатиновые фильтры неудобны и им следует
предпочесть неорrанические жидкости внефлуоресцирующей
кювете. Для поrлощения рассеянноrо возбуждающеrо света ча
сто достаточно подобрать фильтр, отсекающий коротковолновую
область; для этой цели приrодны фильтры, !<ривые поrлощения
400 450 500 550
ДАина во.llНЫ, 11М
РИС. 67. Пример ИС!lользования фильтров для улучшения характеристик
монохрома тора.
Флуоресценция минеральноrо масла на бумаrе при фронтальном освещении светом ртут-
ной лампы БЫСQКоrо давления (Л ....., 250 ИМ); 1 внделяемая решеточным монохроматором;
2'*- выделяемая решеточным МDИDхроматором с коыбинацией хлорноrо фильтра и
фильтра ох?; 3 аналоrичио 2, но с 1,5%'HbIM раствором CuSO..5H,o (толщина I см),
помещенным в пучок люминесценции.
спектра. Необходимо, однако, отметить, что если надо получить
высокие интенсивности возбуждающеrо света, то лучше исполь
зовать широкополосный фильтр пропускания для выделения двух
или нескольких близко расположенных линий ртутнorо спектра.
Это особенно верно по отношению к длинам волн короче 300 нм,
[де интенсивность излучения лампы меньше, чем в ДЛИНноволно
вой области. Для выделения линий 254 и 265 нм из спектра лам
пы среднеrо давления используют комбинацию rазообразноrо
хлора и стеклянноrо фильтра ОХ7. Из спектра излучения лампы
BbJcoKoro давления эта комбинация фильтров выделяет преиму-'
щественно полосу при 250 нм, так как в области 260 275 нм
лампа имеет излучение малой интенсивности (см. рис. 57). Этот
фильтр часто ИСПОЛЬ:JУЮТ в сочетании с решеточным монохрома-
тором для получения возбуждаlOщеrо света коротковолновой об-
ласти с Минимальной примесью света более длинных волн. TOT
АППАрАТУрА И МЕТОДЫ ЭКСПЕРИМЕНТА
185
184
r ЛАВА III
которЫХ показаны на рис. 65. Такие фильтры часто используют
для измерения спектра возбуждения раствора, содержащеrо
одно флуоресцирующее вещество, или для измерения спектров
поляризации флуоресценции. В этих случаях фильтр заме-
няет анализирующий монохроматор, который при подобных
измерениях должен иметь широкие щели для достижения необ
ходимой чувствительности. Подбор фильтров для выделения
флуоресценции двух компонентов является более трудной зада
чей, поскольку в этом случае необходимо иметь сравнительно
узкополосные фильтры пропускания. Измерение спектров возбу
ждения отдельных компонентов в смеси флуоресцирующих Be
ществ лучше Bcero про водить, выделяя различные полосы флуо-
ресценции монохроматором.
При измерениях с высокой чувствительностью иноrда необ
ходимо использовать фильтры для увеличения эффективности
анализирующеrо монохроматора. Например, спектр BToporo по-
рядка, проходящий через решеточный монохроматор, может BЫ
зывать нежелательный сиrнал рассеянноrо света. Так, на кри-
вой 2 (рис. 67) пик при 500 нм вызван рассеянным возбу-
ждающим вето м с длиной волны 250 нм, проходящим в aHa
лизирующий монохроматор во втором порядке спектра. Ero
можно удалить (см. кривую 3 на рис. 67) с помощью фильтра
из сульфата меди (12 на рис. 65), который поrлощает свет
250 нм, но пропускает свет с длиной волны более 300 нм.
Если необходимо измерить спектр слабой люминесценции
в одной спектраЛЬflОЙ областч в присутствии очень интенсивной
люминесценции в друrой спектральной области, то желательно
использовать фильтр, поrлощающий интенсивную люминесцен
цию. Например, растворы фенантрена в жестких матрицах при
77 К имеют замедленную флуоресценцию типа Р в области
350 нм и интенсивную фосфоресценцию в зеленой области [84].
При малых скоростях поrлощения света замедленная флуорес
ценция может быть в 1000 р аз менее интенсивной, чем фосфо-
ресценция. При высокой чувствительности небольшое количество
рассеянноrо света зеленой фосфоресценции вызывает большой
сиrнал при всех длинах волн и таким образом накладывается на
слабую замедленную флуоресценцию. В приведенном примере
был использован фильтр ОХ9А, который помещали между об
разцом фенантрена и анализирующим монохроматором. Он по-
rлощает зеленую фосфоресценцию, но пропускает ультрафиоле-
товую замедленную флуоресценцию.
4. Подбор фиЛЬТрО8 для флуорим.етрии
Фильтр для выделения возбуждающеrо света (первичный
фильтр) и фильтр фJIуоресценции (вторичный фильтр) подби-
рают по принципу дополнительности, т. е. каждый фильтр поrJ\О.
щает свет, который пропускает друrой Пара таки дополнител )
ных фильтров удобна для измерении со среднеи чувствитеЛD
ностью, и их просто изrотовить. Например, если флуоресценци
возбуждается линией ртути при 366 нм и находится в rолубои
области спектра, удобным первичным фильтром может быть ком-
бинация фильтра 9 (рис. 65) с фильтром Д (рис. 66). Такая коы-
бинация фЮIЬТрОВ не пропускает свет с длиной волны более
400 нм, IlОЭТОМУ фильтр 7 (рис. 65) может служить удобным BTO
ричным фильтром. Аналоrично, если для возбуждения исполь
зуют линию ртути при 405 нм, то удобной будет комбинаци
фильтров В + 8 (первичный фильтр) и фильтра 7 (вторичныи
фильтр) .
При работах с высокой чувствительностью с растворителями,
содержащими атомы водорода (вода, этанол, ц;:клоrексан t ), опи-
санные комбинации фильтров создают большои фон за с leT по-
лос комбинационноrо рассеяния растворителей (см. разделы
1, Д, 5 и У, В, 1). Так, основная рамановская полоса воды, воз-
буждаемзя светом 366 нм, находится при 416 нм и дл ее удале-
ния необходимо использовать более длинноволновыи отсекаю-
щий фильтр, например фильтр б. Аналоrично, если для возбуж-
дения используется ртутная линия 405 нм, рамановская полоса
воды находится при 469 нм и нельзя использовать ни фильтр 7,
ни фильтр б. Пример использования линии 405 нм для возбуж-
дения при работах с высокой чувствительностью приведен
в rл. У, rде обсуждается подбор фильтров.
Д. ДЕТЕК ИРОВАНИЕ И ИЗМЕРЕНИЕ СВЕТА ФИЗИЧЕСКИМИ
МЕТОДАМИ
1. Типы фотодетеКТОРО8
Существуют три типа физических приборов, которые обычно
используются для детектирования или измерения света в види-
мой и ультрафиолетовой областях: термобатарея, различные ти-
пы фотоэлементов и фотоэлектронные умножители. Для u измере-
ния флуоресценции и фосфоресценции (особенно низкои интен-
сивности) используется исключительно фотоумножитель из-за ero
высокой чувствительности. Для измерения больших интенсивно-
стей, например в пучке света после Mo oxpOMaTopa возбужде-
ния, иноrда удобнее применять вакУУМНblИ ф-отоэлемент, а термо-
батарея обычно используется как первичНЫИ стандарт для абсо-
лютных измерений излучения. Ниже будут рассмотрены кон-
струкция и принцип работы всех трех типов детекторов.
Следует упомянуть вкратце и о некотОРЫХ друrих типах фото-
элементоВ. Фотосопротuвленuя изrотОВЛЯIOТ из кристаллическоrо
полупроводниковоrо материала с большим сопротивлением в
темноте. При облучении светом электроны возбуждаются в зону
186
r ЛАВА I!!
АППАРАТУРА И МЕТОДЫ ЭКСПЕРИМЕНТА
187
дрейф нуля сильно уменьшается, если поверхность термобата;
реи закрыть кварцевой пластинкой. Значительно более высокои
стабильностью и повышенной чувствительностью облада ют ва-
KyyMHыe термобатареи. Приемники подвешиваются на тонких
соединительных проволсчках. Поэтому при механическом ударе
термобатарею леrко повредить, и обращаться с нею надо очень
осторожно.
Абсолютную калибровку разности потенциалов термобатареи
в единицах падающеrо лучистоrо потока можно выполнить одним
из двух методов. Первый метод состоит в uкалибровке по излуче
нию абсолютно черноrо тела при известнои температуре, которое
рассчитывается по закону Стефана [получаемоrо интеrрирова
ни ем формулы Планка, уравнение (224)]:
Скорость испускания полноrо излучения ==
== 5,670 . 10 5T4 эрrj(см 2 . с).
Во втором методе применяют термобатарею, специально скон-
струированную таким образом, что чувствительные элементы
можно HarpeTb, пропуская че
рез проводник, прикреплен
НЫй к элементам, электриче-
ский ток. Термоэлектродвижу
щая сила, получаемая таким
способом, связана прямым со-
отношением с известной CKO
ростью потерь электрической
энерrии на наrревание про
водника. Абсолютная калиб
ровка термобатареи опера
ция, требующая высокой ква-
лификации. Обычно термоба
тарею калибруют в Нацио
нальной физической лаборато
рии или используют для этоrо
калиброванную стандартную
лампу, которая дает извест
ный полный световой поток на
определенном расстоянии. по-видимому, лучше Bcero иметь как
стандартную лампу, так и калиброванную термобатарею, и про
верять один метод друrим.
Данные калибровки выражают в милливольтах напряжения,
возникающеrо при облучении термобатареи однородным ПУЧКО I
света мощностью 1 Вт на 1 см 2 . Термобатарея это низкоомныи
источник небольшой разности потенциалов, поэтuому в качестве
детектора необходимо использовать низкоомныи rальваномеrр
проводимости И проводимость увеличивается. Т акие фотосопро
тивления MorYT работать в инфракрасной области. ФОТО80льта-
llческие ячейки имеют то преимущество, что они превращают
энерrию ВИДИ!vlоrо света в напряжение, достаточное для измере
ния rальванометром или микроамперметром, поэтому не требует-
ся внешнеrо источника питания. Они обладают, однако, малоЙ
чувствительностью и их сиrнал линеен только в узком интервале
интенсивностей. Действие сазонаполненносо фотоэлемента aHa
лоrично действию BaKYYl\!HOrO (см. ниже) и основано на эмиссии
электронов с фоточувствительноrо катода, облучаемоrо светом.
При движении к аноду под действием приложенноrо напряже-
ния электроны сталкиваются с атомами aproHa и вызывают
ионизацию. Получаемые таким образом вторичные электроны
MorYT вызывать дальнейшую ионизацию, и первичный фототок
умн'ожается в 10 или 20 раз. rазонаполнснные фотоэлементы
менее устойчивы и менее долrовечны, чем вакуумные.
Кроме этих трех типов фотодетекторов, имеются еще два при-
способления, которые иноrда применяются при фотолюминесцент
ных измерениях. Первое это счетчик фотонов флуоресценции,
который позволяет непосредственно сравнивать квантовые интен
сивности пучков света различных длин волн (подробнее о нем
см. в раздеЛе III, Д, 5). Второе это химический актинометр,
который позволяет определять световой поток в абсолютных
единицах (см. раздел III, Е).
2. Термобатареи.
Термобатарея поrлощает все попадающее на нее излучение и
превращает ero в тепло. В результате этоrо возрастает темпера-
тура термопар по отношению к холодному спаю, защищенному
от облучения, и возникающая разность потенциалов пропорцио-
нальна интенсивности падающеrо излучения. Конструкция тер-
мобатареи схематически показана на рис. 68, А. ИзмеряемыЙ
свет падает на поверхности ряда маленьких и очень тонких ме-
таллических пластинок, покрытых ламповой сажей. К каждой
пластинке сзади припаяна пара проволочек из разных металлов,
образующих термопару. Облучаемые элементы соединены с иден
тичными элементами, защищенныии от света. Для достижения
максимальной чувствительности элементы должны быть по воз-
можности тонкими и поэтому имеют малую теплоемкость, что
способствует существенному повышению температуры. Соеди-
няющие проволочки очень тонкие для Toro, чтобы уменьшить
теплопроводность, а холодные элементы идентичны облучаемым
элементам, так что отклонение от нуля за счет внешних темпера
турных изменений сводится к минимуму. Термобатареи очень
чувствительны даже к леrким перемещениям воздуха. Однако
(230)
А. Общая схема
Об.ltучение
ээ 7\ 7\ 7\ 7\ e
i JL JL I
I I
I I
Термо-э.д.с.
Б.КаАи6рО6 каибинацuи
теРМО(jатарея ztМьвано.иетр
1/11
Рис. 68. Термобатарея.
188
rЛАВА III
АППАРАТУРА И МЕТОДЫ ЭКСПЕРИМЕНТА
189
Необходимо помнить, что термобатарея измеряет полную
энерrию. Термобатарею нельзя применять для определения кван-
товой интенсивности полихроматическоrо пучка, если неизвестно
спектральное распределение. При использовании термобатареи
для сравнения квантовой интенсивности двух пучков различных
длин волн необходимо вводить попра ку. Так, если 01 и 02 от-
клонения ra.lbBaHoMeTpa для пучков света длин волн 1.1 И 1.2, то
относительная квантовая интенсивность
высокой чувствительности. Электродвижущую силу можно опре-
делить непосредственно с помощью прецизионноrо потенциомет-
ра, но иноrда удобнее (хотя точность при этом снижается) ис-
пользовать rальванометр. Для этоrо необходимо, во первых, про-
калибровать цепь термобатарея rальванометр в единицах
электродвижущей силы, возникающей на термобатарее. Это мож-
но сделать с помощью простой цепи, изображенной на рис. 68, Б.
Термобатарею Т облучают постоянным световым потоком от
лампы и с помощью потенциометра измеряют электродвижущую
силу с переключателем в положении А. Переключатель затем
переводят в положение В и отмечают отклонение rальванометра.
Процесс повторяют с несколькими различными световыми пото-
ками и, зная среднее значение величины (мм отклонения/мкВ) и
известные калибровочные данные термобатареи [мВ/ (Вт' см 2 )],
определяют искомую константу системы термобатарея rальва-
нометр (мкВт/см 2 на 1 мм отклонения).
Типичная чувствительность небольшой 18-парной термобата-
реи с чувствительной площадью 0,3 см 2 составляет 60 мВ для све-
TOBoro потока 1 Вт/см 2 . При сопротивлении термобатареи 25 Ом
на rальванометре, имеющем сопротивление 25 Ом и чувствитель-
ность 16 мм/мкВ на расстоянии 1 м, отклонение 1 мм будет соот-
ветствовать световому потоку около 2 мкВт/см 2 . При этих усло-
виях минимальный световой поток, который можно измерить,
составляет приблизительно 1 О мкВт/см 2 , или 3. 1 0 11 эйнштейн/
/(с,см 2 ) при 400 нм (1 эЙнштейн/с == 1,196.1014/1. мкВт, [де л
длина волны в .HaHOMe pax). "Последняя величина соответствует
приблизительно 1 0 11 эинштеин/с, попадающим на чувствитель
ную площадь термобатареи. Для малых интенсивностей необхо
димо r:спользовать вакуумную теРl\lобатаJ.!ею и более чувстви-
тельныи rальванометр или rальваНОl\lеТQ с усилителем. С по
мощью небольшой вакуумной термобатареи высокой чувстви-
тельности, работаю ей при нормальных условиях, минимальный
и меря мыи световои поток может достиrать при 400 нм 10 14
эинштеин/ (с. см 2 ) или 1 0 16 эйнштейн/с на площадь термобата-
реи. Измерения света малой интеНСИRНОСТИ с помощью термоба-
тареи требуют особых мер предосторожности, однако проще ис-
пользовать для калибровки BaKYYMHoro ФОТОЭ,'1емента менее чув-
ствительную термобатарею с пучком света высокой интенсивности
и требуемой длины волны" и затем этот фотоэлемент применять
для абсолютных ИЗl\lерении малых интенсивностей света.
В спектрофлуориметрии для прямых измерений аБСОЛЮТНblХ
интенсивностей света термобатарею используют редко. Ее при-
ме,!iЯЮТ rлавным обраЗОl\l для экстраполяции калибровочной кри
вои, полученной с ферриоксалатным актинометром в область
длин Волн более 500 мкм, [де актинометр неприrоде . Методика
калибровки описана в разделе III, Е. .
Ql/Q2 == 0I Л l/ 0 2 Л 2'
3. Ва"уумные фотоэлементы
Вакуумный фотоэлемент состоит из откачанной стеклянной
или кварцевоЙ колбы с двумя электродами. Катод представляет
собоЙ покрытие из смеси металлов (иноrда содержащей также
окиси металлов) на металличе-
ской пластинке или на поверх-
ности самоЙ колбы. При попа-
дании света на катод фотоны
с энерrией, большей, чем рабо-
та выхода поверхности, выби-
вают электроны. Если анод за-
ряжен положительно по отно-
шению к катоду, фотоэлектро
ны собираются на аноде, через
внешнюю цепь проходит ток,
пропорциональный интенсив
ности падающеrо света, KOTO
рый можно измерить с по
мощью rальванометра или ми Свет
кроамперметра (рис. 69, А).
При небольшом напряжении
электрическое поле вблизи ка-
тода недостаточно для Toro,
чтобы преодолеть отрицатель-
ный пространственный заряд,
и не вс(. фотоэлектроны соби-
раются на аноде. При напря-
жении выше 25 В все элек-
троны собираются на аноде,И
возникающий ток существенно
не зависит от приложенноrо напряжения. При этих условиях Ba
куумный фотоэлемент представляет собой прибор, позволяющий
измерять интенсивность света с высокой воспроизводимостью.
Даже при энерrиях фотона выше пороrа, соответствующеrо
работе выхода, квантовыI1 выход фотоэмиссии (число электронов,
(231 )
А.Прuнцип ра60mЬI
Свет
Б. Проста.я цепь м.я измерения
С,IIабы;х; интенсивностей света
т
р
Рис. 69. Вакуумный фотоэлемент.
190
rЛАВА 111
АППАРАТУРА И МЕТОДЫ ЭКСПЕРИМЕНТА
191
лить, пропуская ero через большое сопротивление, соединенное
с сеткой электрометрической лампы. В цепи, работающей от ба
тареи, изображенной на рис. 69, Б, анодная цепь лампы вместе
с rальванометром иrрает роль нуль-индикатора для уравнивания
напряжения, падающеrо на наrрузочном сопротивлении L при
протекании через Hero фототока, и напряжения от калиброван-
Horo потенциометра Р. При выключенном свете и установленном
на нуль птенциометре rальваНО lетр устанавливают на нуль I1Y
тем реrулировки потенциометров анода. Затем световой затвор
открывают и rальванометр вновь устанавливают на нуль с по'
мощью калиброванноrо потенциометра Р. Напряжение на потен
циометре Р пропорционально интенсивности света. Для измере-
ния очень малых интенсивностей света используют сопротивления
порядка 1012 ОМ. Чтобы не было изменения в чувствительности
и во избежание избыточноrо TeMHoBoro тока за счет утечки за
рядов по поверхности, фотоэлемент, сопротивление и электро-
метрическую лампу следует поместить в откачанную и запаян
ную стеклянную колбу. Такие фотометры, откалиброванные один
раз, сохраняют калибровку в течение долrоrо времени. Предель
ная чувствительность при сопротивлении 1012 Ом составляет Be
личину порядка 10 15 А. Фотометры, однако, чаще используют с
наrрузкой 1010 Ом или менее, при этом можно леrко и точно из
мерять фото токи величиной 10 13 А.
Более удобным (хотя и более дороrим) методом усиления
сиrнала BaKyyMHoro фотоэлемента является усиление тока с по
мощью BbICOKooMHoro усилителя постоянноrо тока с током на
входе от 10 6 до 10 12 А и с током на выходе 1 мА, который мож-
но подавать на вход самописца. В схему некоторых усилителей
включается дополнительный блок, дающий постоянное напряже-
ние для питания фотоэлемента. Такое устройство можно исполь-
зовать в качестве детектора в счетчике квантов с флуоресцирую-
щим экраном (см. раздел 111, Д, 5), оно обеспечивает более BOC
производимые результаты, чем фотоумножитель, если последний
не работает от стабилизированноrо источника BbIcoKoro напря-
жения. Правда, чувствительность в этом случае меньше, чем
у фотоумножителя.
испускаемых на 1 квант) меньше единицы, так как часть света
поrлощается на довольно больших rлубинах и выбивания фото-
электронов не происходит. Кривые на рис. 70 показывают изме-
нение KBaHToBoro выхода выше пороrа (см. [138]). Видно, что
квантовый выход некоторых типов фотокатодов (например, Tpex
щелочных, тип S20) достиrает значения около 0,2 в интервале
o,z'; 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2
A.IIUHa БО.llНЫ. ..ик,м
Рис. 70. Спектральная чувствительность различных фотокатодов [138].
стеклянное окно; окно из тоикоrо стекла, пропускающеrо УФ-свет; .... ОКНО
из плавленorо кварца.
'э-
0,1
о
::!
() 0,01
:z.
'/::1
:ё 0,001
c::s
0,0001
О
:...Mg
i \
I ".
......
. '.'
; 0'0:
Сд \.... Ба
:'.... .
J '. \ . \ .
Ли
'. :
длин волн, отвечающих максимальной чувствительности. Чув-
ствительность TaKoro фотоэлемента в этом спектральном интер-
вале можно леrко вычислить, так как поrлощение 1 эйнштейна
квантов при квантовом выходе, равном 1, приведет к появлению
1 фарадея (96500 Кл) электронов. Следовательно, для TaKoro
фотоэлемента 1 мкА фототока соответствует 1 0 6/0,2.. 96500 или
5.10 11 эйнштейн/с. При использовании rальванометра, Имею-
щеrо чувствительность 2000 мм на 1 мкА, можно леrко и точно
измерять интенсивности порядка 1 0 12 эйнштейн/с.
В противоположность термобатарее вакуумный фотоэлемент
является высокоомным источником тока, и этот ток можно уси-
4. Фотоумн.ожuтелu
Фотоумножитель это по существу вакуумный фотоэлемент
с MHoroKpaTHbIM усилением. Принцип работы фотоумножителя
схематически показан на рис. 71, А. Во мноrих типах фотоумно-
жителей чувствительный материал (РС) нанесен на внутреннюю
поверхность кварцевоrо окна в виде TOHKoro полупрозрачноrо
слоя. Вдоль трубки расположены вторичные электроды (дин 0-
ды) и собирающий электрод С. В простейшем вариаНТе на
192
t'JIABA I11
АПhАРАТУРА И МЕtоды ЭКСПЕРИМЕнtА
193
фотокатод подается большоЙ отрицательныЙ потенциал по OT
ношению к земле, а потенциал динодов последовательно умень-
шается. СобирающиЙ электрод соединен с землеЙ через rальва-
нометр или друrоЙ детектор тока. Фотоэлектроны, выбивае-
мые из катода, ускоряются электрическим полем до первоrо
А. динода, из KOToporo они выби-
300B 100B Бают по два или более вторич-
ных электронов. Те в свою оче-
редь ускоряются до следующе-
[о динода, [де они выбивают
еше больше вторичных электро
нов. Этот процесс продолжает-
ся вдоль цепи динодов, которая
может иметь до 15 каскадов уси
ления, так что один фотоэлек
трон пр и водит к появлению до
108 электронов, испускаемых из
последнеrо дИнода. Эти электро-
ны притяrиваются собирающим
1800B электродом (которыЙ имеет по-
тенциал земли, если фотоумно-
житель находится в темноте), и
возникающиЙ при этом ток pe
rистрируется rальванометром.
Здесь не обсуждается процесс
изrотовления фотоумножителеЙ;
четыре способа расположения
электродов показаны на рис. 72
(см. [138]). Концы электродов
выведены на ножки цоколя фото-
умножителя, а сопротивления,
соединенные, как показано на
рис. 71, Б, обеспечивают подачу на электроды нужных потенциа
лов. Оптимальные значения сопротивлениЙ и рекомендуемые схе-
мы соединения указываются фирмоЙ-изrотовителем.
ТемновоЙ ток оrраничива т чувствительность фотоумножи-
телЯ. Этот ток возникает в результате выброса электронов из
катода при термическоЙ активации или в результате радиоактив-
Horo излучения, вызывающеrо люминесценцию баллона. Он зна-
чительно уМеньшается при охлаждении фотоумножителя сухим
льдом r:ли жидким воздухом. Это особенно важно для фОТОУМIIО-
жителеи, предназначенных для работы в ближнеЙ инфракрасн()й
области (катоды типа S1, см. рис. 70). Такие фотоумножители
имеют катоды, покрытые веществом с малоЙ работоЙ выхода
(чтобы электроны моrли выбиваться квантами света д.линных
волн), но малая работа выхода автоматически приводит к боль-
еЙ тепловоЙ активации. Лучше Bcero, очевидно, иметь один фо
тоумножитель для измерениЙ в ультрафиолетовоЙ, видимоЙ и
ближнеЙ инфракрасноЙ областях. К сожалению, фотокатоды фо-
тоумножителеЙ типа S 1 иr, еют существенно меньшиЙ квантовЫЙ
выход по с(iавнению с
друrими типами, и это, а
также нсудобство охла-
ждения означает, что в а
работах с большоЙ чув
ствительностью их следу-
ет использовать только
при измерениях в спект
ральноЙ области выше
800 нм. Для работ при 6
длинах волн до 800 нм pe
комендуется фотоумножи
тель Е.М.!. 9558Q с фото
катодом S20. Он имеет 11
каскадов и дает высокую
квантовую эффектив
ность. При общем напря
жении на фотоумножите- в
ле 1800 В чувствитель-
ность составляет около
200 Аjлм, а теМhОВОЙ
ток лишь 0,o02 0,01
мкА. ТемновоЙ ток сни
жается охлаждением, но с
помощью этоrо фотоумно е
жителя можно проводить
фотолюминесцентные из-
мерения при большоЙ чув
ствительности и без охла
жденИя. При использова-
нии отсекающеrо фильтра
в коротковолновоЙ обла
сти можно применять 13
каскадныЙ фотоумножитель 6256 с фотокатодом типа S 11
(рис. 70). Ero максимальная чувствительность 2000 Аjлм, а
темновоЙ ток 0,1 мкА.
Чувствительность фотоумножителя можно менять в широком
интервале, иЗменяя напряжение, подаваемое на фотоумножитель
(рис. 71, Б). На рис. 73 приведены относительные чувствительно-
сти фотоумножителя 9558Q. Видно, что при увеличении напря-
жения на фотоумножителе от 800 до 1800 В чувствительность
возрастает примерно в тысячу раз. Дополнительное усиление еще
Свет
РС
Б.
Рис. 71. Фотоумножитель.
А принцип действия. Б схема питаиия
(все сопротивления по 1 МОм).
v
7 3ак. 1281
\
J "--"--'---'---'-..)
KOA.IfeKrпOp
Свет
. Фоrпохатод
bk ,
:
::
tF P f fti I
Катод
Коллектор
[; ) : т'е I
. б-( н
Катод I(о,;rлектор
Рис. 72. Электростатические системы ди-
нодов фотоумножителей [138J.
а система с фокусирующими динодами; б мало-
rабаритиый фотоумиожитель с фокусирующим,!i
ДИНQдами; в..... схема с дииодами типа "жалюзи;
2 фотоумножитель коробчатоrо типа.
194
t' ЛАвА rt!
в десять раз или более обеспечивает усилитель, с KOTOpOrO СЮ'-
нал фОТОУМНОЖ!1теля подается на самописец, и возможно прямое
сравнение интенсивностей, различающихся в 104 раз, Это особен
но важно при исследовании фосфоресценции или замедленной
флуоресценции в жидких растворах. Необходимо помнить, oд
нако, что существует предельный ток фотоумножителя, выше ко-
Toporo уже не сохраняется линейность, и что этот предел тем
ниже, чем меньше напряжение. Однако при измерении спектров
люминесценции токи редко превышают 10 мкА, и это лежит в пре
делах линейности большинства фотоумножителеЙ. Рекомендуется
проверять линейность фото-
умножителя при различных
напряжениях, помещая на
пути света люминесценции
фильтры с известным пропу-
сканием.
При изrотовлении кожу-
ха для фотоумножителя не-
обходимо соблюдать некото-
рые предосторожности. Если
фотоумножитель работает
при большом отрицательном
потенциале на катоде (про-
стейшая конструкция для
работы на постоянном токе
показана на рис. 71, Б), то
случайный контакт между
стенкоЙ баллона фотоумно-
жителя и кожухом, который имеет нулевой потенциал, может
вызвать большой темновой ток, ибо электроны MorYT напра-
вляться из динодов В место контакта и, ударяясь с большой
скоростью о стекло, вызывать ero фосфоресценцию. Ножки
в цоколе фотоумножителя обычно достаточно надежно удер-
живают еI'O в панели, и в этом случае исключается контакт
с друrими частями кожуха. С друrоЙ стороны, можно сделать
так, чтобы любоЙ материал, Н6.ходящийся в контакте с фотоум-
ножителем, имел тот же самыЙ потенциал, что и катод. При
конструировании устройств, охлаждающих фотоумножитель, He
обходимо принимать меры предосторожности, чтобы предотвра-
тить конденсацию влаrи на контактах, нахоДящихся под высоким
напряжением, а также на окошке.
1000
I:!
Е: 100
(.JI:!
С:,:
g 10
<!) ::t 1
!:
(.J",
<!>С
o
,!
600 1000 1400 1800
ПРц.Ilо:нсенное напряжение
Рис. 73. Типичная кривая калибровки
чувствительности для 11-каскадноrо
фотоумножителя.
АППАРАТУРА И МЕТОДЫ ЭКСПЕРИМЕНТА
195
порционален квантовой интенсивности падающеrо света и не
зависит от длины волны. Для этой цели концентрация флуорес-
цирующеrо вещества должна быть достаточной для поrлощения
Bcero падающеrо света во всем интервале длин волн в неболь-
шом (по СРБвнению с оптической толщиной 1 кюветы) слое
(рис. 74,А). Поэтому возникающая флуоресценция проходит к
фотодетектору через приблизительно ПОСтоянный слой раствора.
Раствор, таким образом, иrрает роль фильтра возбуждающеrо
А. Прuнцuп работы
ФАуореСЦЕ.НЦU5/ _
в переднеи части Концентрированныи
кюве ы раствор ljopecци'
рующеzо веще,тва
Свет { --- ---- юr
р,азных . --- ---
lМUHвo;rH ._ .--
- Фотодеmeктор
L
15. PeeY.llUpoBaHue п!lчка света
(
1 Н Rl rJ
11 > .AI
--:C*
Рис. 74. Счетчик квантов флуоресценции.
света, и в то же время это rарантирует, что приемник реrистри-
рует одну и ту же полосу флуоресценции независимо от rлубины
проникновения пучка возбуждающеrо света. Харрисон иЛеЙтон
[139] использовали этот принцип при изrотовлении фотоrрафи
ческих пластинок с постоянной спектральной чувствительностью
путем нанесения флуоресцентноrо машинноrо масла или эску-
лина в желатине. В фотоэлементах счетчик квантов был впервые
применен Боуэном [140], который предЛОЖИЛ для этоЙ цели рас-
твор эскулина в воде (1 r/л) в кювете толщиной 1 см для Интер-
вала 252 366 нм. Мельюиш [141] рекомендовал раствор рода-
мина Б в этиленrликоле (3 r/л) в качестве счетчика квантов
в широком интервале и определил квантовый ВЫХОД, КОторый
постоянен с точностью + 5 % в интервале 220 600 нм. Вебер и
Тил [142] использовали раствор 1-диметиламинонафталин-5-суль-
фона та натрия в воде (2. 10 2 М) для интервала 200 400 нм.
5. Флуоресцентные счетчики квантов
Факт независимости KBaHToBoro выхода большинства раство-
ров от ДЛИНЫ ВОЛНЫ возбуждения может быть практически ис-
пользован при конструировании приемника, сиrнал KOToporo про-
7.*
196
rЛАВА 111.
АППАРАТУРА И МЕТОДЫ ЭКСПЕРИМЕНТА
197
Паркер [143] вмонтировал флуоресцентный счетчик квантов
в спектрофлуориметр для непрерывноrо измерения квантовой
интенсивности возбуждающеrо света. Это позволяет непосредст-
венно измерять исправленный спектр возбуждения, компенсирu-
вать флуктуации света лампы при измерении спектра флуорес-
ценции и определять кривую спектральной чувСтвительности мо-
нохроматора флуоресценции в ультрафиолетовой области. Эти
приспособления будут подробно обсуждены в разделах III, Ж, 3
и III, К, 1 3, а здесь мы рассмотрим преимущества и недостатки
их применения для измерения интенсивности света. Предполо
жим, что пучок света из монохроматора М фокусируется выну-
тым зеркалом R (см. рис. 74, Б) на кювету С, в которой происхо
дит фотохимический или фотофизический процесс. Для реrули-
рования cBeToBoro потока, падающеrо на кювету С, разделитель
пучка В, представляющий собой прозрачную кварцевую пластин-
ку, помещают в пучок света под уrлом, при этом он отражает
часть света на флуоресцирующий экран Р, от KOToporo свет ПО
падает в фотоэлемент или фотоумножитель Р. Если раствор F
подобран удачно (соrласно условиям, описанным выше), то сиr-
нал фотоумножителя будет при6лизительно пропорционален
квантовому потоку, попадающему на С, независимо от длины
волны. Слово «приблизительно» необходимо по нескольким при
чинам. Во-первых, отражательная способность разделителя пуч
ка изменяется с длиной волны. Во-вторых, световая волна с элек
трическим вектором, параллельным поверхности В, будет отра-
жаться более эффективно, чем свет с электрическим вектором,
перпендикулярным этому направлению. ЕСJ1И бы пучок света
был совершенно неполяризован при всех длинах волн, это не
им ло бы никакоrо значения. Однако свет, выходящий из МОНО-
хроматора, особенно в случае решеточных монохроматоров, за
метно поляризован, а степень поляризации может меняться с дла
ной волны, следовательно, есть дополнительная причина для
изменения полной отражательной способности разделителя
пучка.
В счетчике квантов Паркера кювета расположена под уrЛО1\1
450 к пучку и флуоресценция реrИСlрируется через ее заднюю
стенку в направлении, перпендикулярном направлению падаю-
щеrо света. Такое расположение имеет то преимущество, что
если падающчй свет содержит небольшую долю «примесных»
длин волн, не поrлощаемых счетчиком квантов, то фотоэлемен
том они не реrистрируются. В обычном варианте (рис. 74, А)
такие примеси приводят к большому фотосиrналу и, следователь-
но, к значительной ошибке. Преимущество расположения кюветы
в счетчике Паркера также состоит в ТОМ, что, если монохрома-
тор Случайно сканируется за пределами поrлощения счетчика
квантов, фотоэлемент или фотоумножитель не подверrается об
лучению светом большой интенсивности. Расположение экрана F
под уrлом имеет тот недостаток, что сиrнал будет меняться в за.
висимости от поляризации падающеrо света. Однако поскольку
такая ошибка" уже вносится разделителем пучка, то дополни-
тельная ошибка не имеет существенноrо значения и может даже
частично компенсировать первую. Ввиду подобных ошибок жела-
тельно калибровать счетчик квантов при нескольких длинах
волн. Это леrко сделать с помощью ферриоксалатноrо актино-
метра (см. раздел III, Е). В качестве фл}оресциру щеrо экрана
Паркер использовал кювету с оптическои толщинои 5 мм, содер-
жащую 4,4 .10 3 М флуоресцеина в смеси карбоната натрия (0,1 н.)
и бикарбоната натрия (0,1 н.). Он нашел, что в интерв ле 2,2
4 3 MKM l (......., 450 230 нм) относительный квантовыи выход
флуоресценции меняется в пределах 10%, если. для выделения
возбуждающеrо света использовать призменныи монохроматор.
Счетчик квантов, прокалиброванный один раз таким образом,
позволяет непосредственно измерять в абсолютных единицах
полный поток света падающий на кювету С. Калибровку можно
выполнить таКже с' помощью термобатареи, помещаемой вместо
кюветы С. Однако при очень малых интенсивностях света лучш;
использовать актинометр, поскольку измерения с термобатареСII
при этих условиях довольно утомительны. Раствор флуоресцеина
пропускает свет с Д.1JИНОЙ волны более 500 нм. Вместо флуорес:
цеина можно использовать раствор родамина Б соответствующси
концентрации, но для точных измерений ero также надо калиб-
ровать *. Для калибровки в интервале до 500 нм можно исполь,
зовать ферриоксалатный актинометр. Для калибровки счетчика
квантов на родамине Б при длинах волн более 500 нм нужно
использовать термобатарею. Однако нет необходимости калиб
ровать ее в абсолютных единицах независимо, так как можно
прокалибровать с помощью актинометра в о ласти коротких
длин волн, использовав промежуточную калиоровку счетчика
квантов. Если для фокусировки пучка при меняется зеркало ил
ахроматическая линза, то пространственное распределение лучеи
на термобатарее остается неизменным при изменении длины
волны монохроматора, и поэтому термобатарея сохраняет свою
калибровку и в длинноволновой области. Следует отметить, что
* в работе [Yguerabide J., Rev. Sci. Instrum., 39, No. 7, 1048 (1968); При-
боры для научных исследований, M 7, (1968)] подробно описан четчик фото-
нов на основе раствора родамина Б в этиленrликоле, приrодныи для работы
в области 250 600 нм. Используя прием изменения расстояния от кюветы
с астворОМ родамина Б до фотоумножителя, удается перекрыть диапазон
поiоков от 2.1010 до 1,6.1015 квант/с. Чувствительность сохраняется постою!-
ной с точностью :1::2% в течение 2 мес. Автоу считает, что этот детектор в
той об.1асти, rде ПРИ:llеним и ферриоксалатныи актинометр (см. ниже), удоб.
нее и чувствительнее последнеrо. П рим. ред.
198
r ЛАВА III
АППАРАТУРА И МЕТОДЫ ЭКСПЕРИМЕНТА
199
при использовании неахроматической линзы возможна значи-
тельная ошибка.
Необходимо сделать еще два замечания. Во-первых, если на-
до использовать счетчик квантов (например, родамин Б) дЛЯ
прямых измерений оТНосuтеЛЬНО20 спектральноrо распределения
пучка, не используя разделитель пучка и не калибруя ето (на-
пример, как на рис. 74, А), то примеси посторонних длин ВОЛН
можно избежать, перемещая фотоэлемент или фотоумножитеJ!Ь
слеrка сторону от оптической оси. В этом случае прямой про-
ходящиuи луч света реrистрироваться не будет. Если флуоресци-
рующии экран остается перпендикулярным падающему лучу, то
изменение поляризации луча не будет вносить ошибки. Во-в ro-
рых, для получения воспроизводимых результатов родамин Б или
друтое флуоресцирующее вещество должно быть тщательно очи-
щено. Если присутствуют небольшие количества примесей, по-
rлощающих в области, тде поrлощение выбранноrо соединения
мало, эти примеси будут поrлощать значительную долю падаю-
шеrо света и квантовый выход будет зависеть от длины волны.
2. Ферриоксалатный aKTtl.llOMeTp
Идеальный химический актинометр должен удовлетворять
следующим основным требованиям: а) постоянный квантовыЙ
выход и сильное поrлощение света в широком интервале длиВ
волн, интенсивностей и общей дозы излучения; б) высокая чув-
ствительность и точносrь, простота работы и доступность хи
мических составляющих. Ферриоксалатный актинометр, предло'
жевный Паркером и Хатчардом [144 147], отвечает этим требо-
ваниям в интервале длин волн 500 250 нм, и имеются указания,
что ето можно использовать вплоть до 200 нм. fлавным компо
нентом актинометра является раствор ферриоксалата калия
K3 Fe (С 2 О 4 ) 3' 3НД в 0,1 н. H 2 S0 4 . В кислом растворе ферритри
оксалатные ионы диссоциируют на моно- и диоксалатные комп-
лексы. При облучении светом происходят следующие реакции:
[Fe (С 2 О 4 )]+ ....J:::..+ Fe 2 + + (C204) ' (232)
(C204) + [Fe (С 2 О 4 )]+ 2С0 2 + Fe H + (C204)2 . (233)
Возникающие при фотолизе двухвалентные ионы железа обра
зуют комплекс с 1,10-фенантролином, и этот комплекс опреде
ляется спектрофотометрически. Квантовый выход образования
Fe 2 + точно определен, и показано, что он незначительно изме-
няетСя в интервале 500 250 нм (табл. 22). Минимальная обна
ружимая доза излучения составляет ........2 .10 10 эйнштейнjмл при
обычных методах измерения, меньшую дo y можно определить
с помощью микрометодов. Дозу 2. 10 8 эйнштейн/мл и более
можно измерять с точностью + 2%. Максимальная доза излуче-
ния, при которой квантовый выход остается неизменным, равна
5. 10 б эйнштейнjмл, и, следовательно, дозу излучения можно
измерять в широком интервале. Квантовый выход п.?стоя е}]
в интервале интенсивностей от 5.10 1l до 2.10 4 эинштеин/
/(см 2 .с). Таким образом, актинометр мож о использовать для
измерения как очень малых интенсивностеи света, полу;аемых
после монохроматора, так и очень больших интенсивностеи, полу-
чаеМЫХ в импульсной лампе. u
Исходные реатенты и продукты фотолиза устоичивы 13 темно-
те, процесс измерения прост и ero леrко варьировать. MHorocTo
ронность системы основана на том, что фотолизуемое вещеСТ130
силЬНО поrлощает свет, а продукты фот лиза поrлощают свет
слабо и накопление их не нарушает линеиности, даже если под
действием света разлаrается значительная часть исходноrо вещl'.-
ства. Сильное и слабое разложение можно измерить с одинако-
вой точностью путем обычноrо разбавления перед спектрофото-
метрическими измерениями.
Ферриоксалатный актинометр используется как первичный
стандарт для актинометрических измерении во всех фотохимиче-
Е. ХИМИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЯ СВЕТА
1. Преимущества химических актинометров при
измерениях лучистой энерzии
Интенсивность света можно измерить в абсолютных единицах
по скорости фотохимическоrо превращения, производимоrо све-
том. Такой химический метод имеет ряд преимуществ перед фи-
зическими методами, использующими калиброванные термобаТd-
реи или фотоэлектрические приспособления. Применение идеаЛ!,-
HO актинометрической системы имеет следующие преимущества:
а) Результаты хорошо воспроизводятся в различных лабора-
ториях. Актинометр может быть стандартизован разными иссле-
дователями, и поэтому можно точно установить величину ето
квантовото выхода. Такой актинометр может служить в качестве
простоrо лабораторноrо стандарта для абсолютных измерений
излучения.
б) Актинометр является интеrрирующей системой и автомз,
тически реrистрирует общую дозу излучения за время экспози-
ции независимо от Toro, остается интенсивность Света постоянной
или имеет большие флуктуации.
в) Подбирая форму и размер кюветы, можно добиться тото,
что актинометр будет поrлощать Пучок света любой формы, He
зависимо от тото, сколь велико ero расхождение или неоднород-
ность.
т) Если квантовый выход не зависит от длины волны идеаль
ный актинометр можно использовать в качестве счетчик квантов
flOJJихромаТНЧеСКQrо пучка.
200
rЛАВА JI!
АППАРАТУРА И МЕТОДЫ ЭКСПЕРИМЕНТА
201
5
4
4
4
4
4
3
3
Значения, полученные
Длина волны, I сравнением
сравнением при помощн с ферриоксалат PeKOMeHдye
ИМ с ураНИk калиброва H ны М актино- мое
оксалатным иой метром, калибро значение
актинометром термопары ванным при 436 нм
по термопаре
577 /579 (0,15 М) - . 0,013 0,013
546 0,15 0,15
09 0,86 0,86
80 0,91 0,94
68 0,93 0,93
36 (0,15М) 1,01 1,01
36 (0,006 М) 1,12 1,11 (1,11 ) 1,11
1,07 а
05 1,14 1,16 1,13 1,14
65/366 (0,15 М) 1,20 б 1,16 в 1,18
65/366 (0,006 М) 1,16 1,26 1,21 }
1,20 а 1,26 б 1,22
61/366 1,22
34 1,25 1,21 1,23
:3 1,23 1,24 1,24
97/302 1,24 1,24
54 1,22 1,29 1,25
1,25 а
450 С. Все операции нужно проводить при желтом свете. Состав
соли соответствует K 3 Fe (С 2 О4) 3' 3Н 2 О. Актинометрический
0,006 М раствор приrотовляют растворением 2,947 r соли в 800 мл
воды. Затем добавляют 100 мл 1 н. серной кислоты, доводят
объем раствора до 1 л и пере,мешивают. 0,15 М раствор приrо-
товляют аналоrичным способом, используя 73,68 r соли ферриок-
салата.
Актинометрические растворы можно приrотовить, смешивая
стандартные растворы оксалата калия и сульфата железа. KBaH
товый выход при 366 нм мало зависит от избытка нейтральноrо
Таблица 22
Квантовая эффективность ферриоксалатноrо актинометра
при 220 С
3
3
3
2
2
t;j 1,0
Е
0,8
2
I 0,6
(;) 0,4
0,2
б
Озоо
350 400
При м е ч а н и я. Результаты взяты в основном из работы Хатчарда и Паркера 1146J.
концентрацня ферриоксалата калия 0,15 М для длии волн 579-----436 им и О 006 М для '
волн 43 254 нм. Результаты для длин волн 436 нм и 365/366 нм прнведены для дв у х oH
цен,раций. н
Результаты, отмеченные индексом б, получены ЛИ н Селнrером [148] для концентра.
цнй ферриоксалата калня 0,15 и 0,006 М. Результаты с индексом а получены Баксендзй
лом н Брнджем [149], которые нспользовалн несколько нную методнку.
Рекомендуемые значения прн 361/366 несколько отлнчаются от ранее получ нных [146]
с учетом дополнительных дuнных Ли н Селнrера. Величнна с нндексом в определена по
значенню при 366 нм и концентрацни феррноксалата 0,006 М (Ф прннято равным 1,22). .
Длина во.лны, нм
Рис. 75. Поrлощение света растворами ферриоксалата [146].
Крнвые lа, 10а, 50а соответствуют 0.006 М раствору феррноксалата калнЯ в 0,1 н. серной
кнслоте с оптической толщнной 1, 10 н 50 мм соответственно. Крнвые lб, 10б н 50б соот'
ветствуЮТ 0,15 М раствору феррноксалата калия в 0,1 н. серной кислоте при тех же значе-
ниях оптнческой толщнны.
электролита, и это, по-видимому, справедливо и ДЛЯ друrих длин
волн. Однако лучше использовать чистый ферриоксалат калия,
поскольку в этом случае получается очень хорошее стандартное
вещество. Ero леrко получить в чистом состоянии, известен er'o
точный состав, и в темноте он хранитсЯ довольно долrо.
Слой 0,006 М раствора толщиной 1 см поrлощает 99% или
более света с длиной волны ДО 390 нм. Ero можно использовать
для длин волн до 430 нм (поrлощение около 50% на 1 см). Для
более длинных волн удобней использовать 0,15 М раствор. На
рис. 75 показана доля света, поrлощаемоrо двумя растворами
при различной толщине слоя. Этот rрафик можно использовать
при подборе концентрации и размера кюветы. В том случае,
коrда поrлощение света неполное и необходимо получить очень
точные результаты, рекомендуется непосредственно измерять
долю света, поrлощенноrо в слое жидкости, используя тот же са-
мый источник света, так как доля поrлощенноrо света изменяется
<;: температурой и зависит от спектральной чистоты света.
ских лабораториях. Он широко применяется в фотолюминесцент-
ных исследованиях, поэтому целесообразно дать подробное опи-
сание ero использования.
3. Приzотовление актинометрическоzо раствора,
выбор концентрации и оптической толщины слоя
Чистый ферриоксалат калия можно леrко приrотовить сме-
шиванием трех объемов 1,5 М раствора оксалата калия с одним
объемом 1,5 М раствора хлорноrо железа при сильном переме-
шивании. Осадок ферриоксалата калия трижды перекристалли-
зовывают из теплой воды, отсасывают и сушат в токе воздуха при
202
rЛАВА 111
АППАРАТУРА И МЕТОДЫ ЭК:СПЕРИМЕНТА
203
Если доля света, прошедшеrо через раствор, велика, необхо
димо ввес и небольшую поправку на отражение света от заднеЙ
и переднеи стенок кюветы (приблизительно 4 5 %). Если t
пропускание раствора ферриоксалата, то долю падающе20 CBeТ'l
поrлощенноrо ф ерриоксалатом, можно выразить так: ' >
fa == 0,95 [(1 t) (1 + 0,05t)]. (234)
В некоторых экспериментах интересуются скоростью поr ло-
щения света содержимым кюветы. Тоrда доля поrлощеННОI'О
света равна (1 t) (1 + О,ОБt). Если t велико и доля разложи-
вшеrося ферриоксалата большая, то нужно использовать сред-
нюю величину пропускания. В этом случае дучше при менять бо-
лее конr:,ентрированный раствор или большую толщину раствора
так, ЧТОGЫ степень разложения и доля прошсдшеrо св'ета умень,
шились.
В темной комнате актинометрические растворы хранятся в
сосуде из желтоrо стекла в течение долrоrо времени. Значения
«фона», полученные описанным ниже методом, равно! соответ-
ственно 0,01 и 0,025 на 1 см для 10 Мл 0,006 М или 0,15 М ac
1вора после реакции и разбавления до 20 мл. Р
ческую плотность 1,0 в кювете 1 см при 51 О нм. Оilтическая
плотность «фоновоrо» раствора (не содержащеrо иона Fe 2 +)
была меньше 0,01, и rрафик получался линейным. Было пока-
заво, что при использовании любоrо из вышеуказанных спектро-
фотометров калибровочный трафик не изменяется в течение не-
скольких лет. Учитывая это и тот факт, что rрафик линеен, мож
но по оптической плотности определять количество ионов Fe 2 +,
периодически проверяя калибровочный rрафик. Если исполь-
зуется фотометр с фильтром, то получаются несколько иные зна-
чения оптических плотностей для измеряемоrо и контрольноrо
«фОНОIJOrо» растворов. Каким бы ни был используемый прибор,
исследователь должен иметь свой собственный калиБРОЕОЧНЫЙ
rрафик, автоматически учитывающий специфику прибора. «Раз
ностная оптическая плотность» при 51 О нм не завr1СИТ о r нали-
чия ферриоксалата калия и количества добавленноrо буфера
при условии, что объем последнеrо равен по крайней мере
половине объема 0,1 н. серной кислоты, присутствующей в pac
творе (окончательное значение рН должно быть 3,5). После до-
бавления фенантролина реакция полностью заканчивается BT
чение получаса. Перед измерением растворы можно хранить
несколько часов в темноте. \
4. Построение "алибровочноzо zрафи"а для ионов
железа
Для построения rрафика необходимы следующие DaCTBopbI:
а) CTBOP соли двухва нтноrо железа концентрации
0,4.10 моль/мл в 0,1 н. сернои кислоте (приrотовленный разба
влением стаНД 'ртноrо 0,1 М раствора FeS04 в 0,1 н. серной КIIС-
лоте);. б) 0,1 /О-ныuй раствор моноrидрата 1,10-ф(:>нантролина
в воде, в) буферныи раствор (600 мл 1 н. раствора ацетата нат'
рия и 360 мл 1 н. серной кислоты, разбавленных до 1 л)
В калиброванные колбочки на 20 м.'1 приливают следу щие
объемы раствора (а): 0,0; 0,5; 1,0 ... 4,5; 5,0 мл. Добавляют
0,1 н. серную кислоту в таком количестве, чтобы ДО'3ести общее
оличество кислоты до 10 мл 0,1 н. раствора серной КИС.'IОТЫ.
3(\тем добавляют 2 мл раствора (б), 5 мл раствора (в) (пере
меШивают после каждоrо добавления), доводят до метки, пере
мешивают и выдерживают 30 мин. Затем измеряют на спектро-
фотометре оптические плотности при 510 нм в кювете толщиной
1 см. Оптическую плотность каЖдоrо раствора ИСПI)RВЛЯЮТ с уче
том растворов, в которые не добавляли соль же еза и вычер
чивают rрафик зависимости оптической плотности P CTBopa от
КОЛllчества добавленноrо иона Fe u .
С помощью спеК1 рофотометра, аналоrИЧНОI о спектрофото-
метру «Uпiсаш БОО» или «Uпicаm 600», было найдено что рас-
твор, содержащий 1,81.1O 6 моля иона Fe 2 + в 20 мл, и;теет опти-
5. Методи"а актинометрии
Соответствующий актинометрический раствор облучаЮ1 в те.
чение времени, необходимоrо для достижения концеl1траuии иона
Fe 2 + от 0,005. 1 0 6 ДО 3. 1 0 6 моля В 1 мл. (При облучении peKO
мендуетсн перемешивать жидкость пропусканием азота.) После
облучения и перемешивания определенную долю раствора отби-
рают пипеткой и переносят в калиброванную колбу объемом
20 мл. Затем последовательно добавляют 2 мл раствора фенан
тролина (б) и буфер (в), по объему равный половине взятоrо
объема актинометрическоrо раствора (перемешивание после
каждоrо добавления). Добавляют воду до метки, перемешивают
и выдерживают 30 мин. Измеряют оптическую плотпасть при
510 нм в кювете 1 см или 4 см. Эти же операции повторяют и
снеоблученным актинометрическим раствором. По «разностной
оптической плотности» рассчитывают или находят по rрафику
количество иона Fe 2 +. Используя величиНУ KBaHToBoro выхода,
указанную в табл. 22 [см. уравнение (5)], определяют дозу об
лучения раствора. Если нужно, вводят поправку на поrлощение
и вычисляют дозу облучения поверхности раствора. Для концен-
трации до 0,02. 1 0 6 моля В 1 мл нужно брать 10 мл раствора и из-
мерение проводить в кювете толщиной 4 см. Для более высоких
конuентраций необходимо такое количество раствора, чтобы
оптическая плотность в кювете 1 см составляла О, 1 0,8. Количе
204
r ЛАВА ItI
АППАРАТУРА И МЕТОДЫ ЭКСПЕРИМЕНТА
205
ство разлаrающеrося ферриоксалата должно соответствовать
уменьшению концентрации не более чем на 0,005 М.
При измерении очень малых интенсивностеЙ СБета желатель
но, чтобы объем раствора был по возможности небольшим. Для
этой цели рекомендуется следующая несколько измененная ме'
тодика. 3 мл йктинометрическоrо раствора облучают в кювете
толщиной 1 см. К облученноЙ жидкости добавляют 0,5 мл рас-
твора, содержащеrо 1,8 н. ацетата натрия и 1,08 н. серной кис-
лоты, а также 0,1 % (вес/объем) моноrидрата 1,10 фенантроли'
на. Измерение проводят в тоЙ же кювете, а предельная чув-
ствительность (отвечающая раЗf>ОСТИ Оптических плотностей
0,002) соответствует 6. 1 0 10 моля Fe 2 +. Для пучков малой ин-
тенсивности у, с очень малым поперечным сечением объемы мо'
rYT быть еще меньше и измерения следует проводить в микро-
кювете *.
по ориrинальным работам, какие изменения KBaHTOBoro выхода
при этом возможны.
Для точных работ необходимо предусмотреть перемешива
ние жидкости во время облучения током азота. Однако ошибка
при использовании J{' откачанноrо и неперемешиваемоrо pac
твора составляет Bcero несколько процентов при условии ПОk
Horo поrлощения во время облучения.
Все манипуляции с растворами ферриоксалата следует про
водить в темноте. Допускается только освещение в течение He
продолжительноrо времени с желтыМ фильтром, которыl! не про
пускает свет с длиной волны менее 550 нм, но даже слабый свет
электрической лампы заметнО разлаrает раствор.
ж. УСИЛЕНИЕ И РErИсТРАЦИЯ сиrНАЛА ФОТО УМНОЖИТЕЛЯ
1. Измерения по точкам
Подавая сиrнал с собираюшеrо электрода 11- иди 13-каскад'
Horo фотоумножителя на чувствитеЛЬНЫII rальванометр
(2000 мм/мкА), как показано на ри 71, Б, r-:;ожно довольно
просто реrистрировать флуоресценцию. Темновои ток фотоумно
жителя E.M.I. 9558Q, работающеrо при напряжении 1800 В, вы-
зывает отклонение на rальванометре около 10 мм (эта величина
варьирует для разных фотоумножителей) . Если rальван метр
правильно зашунтирован и блаrодаря достаточно большои по
стоянной времени заметно снижаются фЛУК1уации TeMHoBoro
тока, то можно уверенно реrистрировать ИН1енсивности света,
соответствующие приблизительно 1/5 TeMHoBOl'O тока. Такая схе-
ма проста, надежна и довольно чувствительна. При условии,
что используемый для возбуждения источник имеет постоянну
интенсивность, эта схема вполне приrодна для ряда измерении,
включающих измерение интенсивностИ при нескольких длинах
волн (например, определение неорrанических компонентов после
ХИlViическоrо разделения, см. rл. У). Как и во всех флуоресцЕ'НТ
ных измерениях, желательнО сравнивать интенсивность флуорес
ценции неизвестноrо образца с интенсивнОстью флуоресценции
стандартноrо вещества, например бисульфата хинина (СМ. раз
дел III, Л, 4). В этом случае автоматически компенсируются
медленные флуктуации интенсивности возбуждающеrо света
или напряжения питания фотоумножителя. Реком ндуется ис
пользовать шунт rальванометра с точными положениями пере-
ключателя, соответствующими чувствительностям, например,
1,0; 0,3; 0,1; 0,03; 0,01. Максимальное отклонение шкалы 500 мм
при наименьшей чувствительности будет соответ.ствовать СИl'-
налу фотоумножителя в 25 мкА. Для измерения больш :х интен
СИВlюстей света напряжение на фотоумножителе дол/!\но бы rb
6. Замечания
Описанные выше операции являются, СУДЯ по опыту автора,
наиболее подходящими. Их можно, конечно, HeMlIoro видоизме
нять с учетом конкретных трсf10ваний. Сравнительная нечув-
ствительность KBaHToBOro выхода к составу раствора, IIнтенсив
ности света и к обшей дозе облучения основные преимуще-
ства ферриоксалатноrо актинометра. Если планируются суще
ственные изменения в методике, то следует внимательно изучить
* Стоит упомянуть и о нескольких друrих актинометрах. Чувствитель-
[юсть уранилоксалатноrо актинометра [1] вдвое-втрое ниже, чем у ферриокса
латноrо, но, по утверждению Портера и Волмана [2, 2а], использование хро-
маТlJrрафа с пламенно-ионизационным детектором Д.1Я определения СО делает
уранилоксалатный актинометр наиболее чувствительным. Система с солью
Рейнеке [3] удобна для работы в видимой области от 315 до 750 нм; реак-
ция заключается в замене тиоцианат-иона водой: Сr(NНзМNСS)j hV, 1120
hv, 11,0
Сr(NН з МNСS)з(Н 2 О) + NCS ; квантовый выход варьирует от 0,27
до 0,31. Реакция фотовосстановления бензофенона бензrидролем (СМ. [4], rл. 6
и 10) предложена [5, 5а] в качестве основы для актинометра, уникальной oco
бенностыо KOToporo является то, что ero rрадуировка (т. е. определение KBaH
TOBoro выхода) леrко осуществляется в ходе Toro caMoro эксперимента, в ко-
тором он используется (для этоrо нужно взять несколько растворов с разной
концентрацией, бензrидроля), и поэтому исключаются ошибки из-за присут'
ствия примесеи.
1. Discl1er с. А., 5mith Р. F., ирртап 1., Turse R., J. Phys. Chem., 67, 2501
(1963) (и ссылки в этой работе).
2. Porter К, Volmaп D. Н., Anal. Chem., 34, 748 (1962).
2a.Porter К, Volmaп D. Н., J. Аm. Chem. Soc., 84, 2011 (1962).
3. Wegпer Е. Е., Adamsoп А. W., J. Аm. Chem. Soc., 88, 394 (1966).
4. Турро Н., Молеку. ярная фотохимия, изд-во «Мир», М., 1967.
5. Moore М. W., Hammoпd о. 5., Foss R. Р., J. Аm. Chem Soc 83 , 278 9
(1961). . .,
5а. Moore М. W., К,еtсlщm М., J. Ат. Chem. 50С., 84, \368 (1962). ПРUАI. ред.
206
rЛАВА 111
АППАрАТУРА И МЕТОДЫ ЭI\СПЕРИМЕНТА
207
уменьшено: почти все продажные источники BblCOKOI'O liапря
жения имеют соответствующую реrулировку. ПолныЙ спектр
флуоресценции определяется путем измерения ОТКЛОН JНЙ rаль
ванометра при нескольких длинах волн (см. рис. 44). Спектр
возбуждения измеряют аналоrичным образом, меняя длину
волны возбуждающеrо монохроматора. При этих измерениях по
лучаются «неисправленные» спектры (см. раздел III, К, 3).
2. Автоматическая запись по однолучевой схеме
Измерение сложных спектров по точкам требует MHoro Bpe
мени, и большинство спектрофлуориметров имеет приспособле-
ние для автоматической записи спектра. Если ИСТОЧНИК света
стабилизирован, то однолучевая схема дает вполне удовлетво
рительные результаты. При использовании самописца необхо
димо при менять усилитель, увеличивающиЙ сиrнал фотоумно
жИтеля (обычно от 0,002 до 1,0 мкА) до 1 2 мА. В продаже
имеется ряд усилителеЙ постоянноrо тока, которые обычно имеют
несколько диапазонов чувствительности и реrулировку постоян
ноЙ времени. Последняя особенно необходима при измерениях
с больщоЙ чувствительностью; если постоянная времени доволь-
но большая, например от 2 до 3 с, ТО большинство флуктуаций
TeMHoBoro тока демпфируется и спектр получается более rлаk
ким. Если необходимо получить полное разрешение, спектр НУЖ
но записывать более медленно.
Для реrистрации спектров можно использовр.ть либо обыч
IIЫЙ пишушиЙ миллиамперметр, либо более дороrоЙ запиcI,rваю-
шиЙ потенциометр. ПоследниЙ обычно надежнее и и;vrеет то
преимущество, что ero леrко можно превраШRТI> в самописец,
реrистрирующий отношение сиrналов, как Оilисано в слсдующем
разделе. На рис. 76 показана схема потенциометрич скоrо са-
мописца. ОН COCTOI:IТ из потенциометра Р, скользяший контакт
KOToporo прикреплен к перу и перемещается с помощью cepBO
мотора. Измеряемое напряжение подается к точке 1 и через
сервореrу.ТIЯТОр к скользящему контакту. Сервореrулятор фик-
сирует разбаланс между напряжением, поданным к точке 1, и
напряжением с потенциометра Р, а серr:юмотор перемещает кон-
такт, связанныЙ с пером, к точке на Р, в котороЙ наступает ба-
ланс. Если сиrнал фотоумножителя усиливается усилителем до
максимальноrо значения 1 мА, то ero подают на наrрузочное
сопротивление L, равное 100 Ом, на котором наблюдаетс}! мак-
симальное падение напряжения 100 мВ, что соответствует пол-
ному отклонению пера самописца. Необходимо, конечно, следить
за тем, чтобы полярность самописца была ТdКОЙ Же, что и поляр-
ность сиrнала после усилителя.
В некоторых случаях необходимо реrистрировать спектры
быстрее, чем это возможно с самописцем, у KOToporo перо про-
беrает шкалу за 1 с. Предположим, что необходимо сканировать
спектр от 200 до 700 нм за 5 с с разрешением 1 нм. В этом слу-
чае самописец должен отклоняться на всю шкалу за 0,01 с и,
следовательно, необходимо использовать ОСЦИЛЛО1'раф. Анод
фотоумножителя можнп непосредственно подсоединить к входу
::>сциллоrрафа, поскольку осциллоrрафы обычно имеют BCTpoeH
ные усилители с реrулируемым коэффициентом усиления. При
быстроЙ записи сиrнала приходится примириться с большими
шумами и, следовательно, с меньшей чувствительностью, чем
Сита'"
от уси';lUте я
е
J
L
(1000Al)
к серва-
I pezY.ll51тapy
JПеро
"
р " "
Сервоме;r,шизм
для перемещс-
'!I!Я пера
Рис. 76. Включение потенциометрическоrо самописца в однолучевой схеме.
при использовании самописца и усилителя, имеющих постоян
ную времени от 1 до 2 с. Можно, конечно, демпфировать шумы,
шунтируя вход конденсатором (раздел III, Н, 6), НО В этом СЛУ
чае осциллоrраф не имеет никаких преимуществ перед самопис-
цем с записью на бумаrе.
3. Автоматическая запись по двухлучевой схеме
Больщинство разрядных ламп дает несколько неустоЙчивыЙ
поток свет а, и при измерениях флуоресценции, БозБУ:ЖД(J,емоЙ
такими лампами, необходимо тем или иным способом компен-
сировать колебания cBeToBOrO потока. Паркер (143] описа.lI ис
пользование для этоЙ цели счетчика квантов с флуоресцентным
экраном. Он имеет то преИМУШ,ество, что позволяет непосред-
ственно реrистрировать исправленные спектры возбуждения флу
оресценции. Это подробно описано в разделе III, К, 2. Мы опи
щем здесь (рис. 77) удобную входную схему самописца, КОТОРУЮ
можно использовать для реrистрации отношений сиrналов. Ба
тарея, питающая потенциометр Р на рис. 76, ОТКJIIочена, и те-
перь через потенциометр Р проходит ток (приБJ1изительно 1 мА)
от усилителя (А 2 на рис. 77) сиrнала счетчика квантов с флуо
реСЦ FjТНрrм экраном. (CX MY можно превратить в однолучевую,
208
rЛАВА III
АППАРАТУРА И МЕТОДЫ ЭКСПЕРИМЕНТА
209
присоединив батарею с помошью выключателя S.) Ток с уси
лителя сиrнала флуоресценции Аl проходит на землю через со-
противление R 1 , равное 100 Ом, а падение напряжения на по-
следнем (максимум 100 мВ) подеется на СКОJJЬЗЯЩИЙ контакт
самописца. При такой схеме положение перемещаемоrо серво-
мотором скользящеrо контакта на потенциометре Р ЯБ./1яется
непосредственной мерой отно ния напряжений на Rl и Р и, сле-
довательно, мерой отношения аflOДНЫХ токов двух фотоумножи-
телей (Р м 1 И Р М 2 ). Изменение интенсивности возбуждаlOшеr'J
Р(1000м)
метно не изменяя при этом реrистрируемое отношение. Это oco
бенно полезно при большой чувствительности, }юrда наблюдается
значительный шум пера.
Для Аl можно использовать усилитель переменноrо тока, и,
следовательно, необходимо иметь -прерыватель возбуждающеrо
света такой частоты, на которую Р.4строен усилитель. Такая
схема имеет несколько преимушеств. Во первых, нет необходи
мости в схеме для компенсации TeMHoBoro тока, так как постоян-
ная составляюшая TeMHOBOro тока не IlрОХОДИТ через усилитель.
Во-вторых, при бор нечувствителен к случайному свету, который
может частично проникать в кюветное отделение монохроматора
флуоресценции. В,третьих, прибор будет реrистрировать KOpOTKO
живущую флуоресценцию, но не будет реrистрироватьдолrо
живующую фосфоресценцию, если не помещать прерыватель
в пучок фосфоресценции вместо пучка возбуждаюшеrо света.
Однако такая схема имеет и недостатки. Один из них , это He
обходимость включать в оптическую схему прерыватель, а дpy
rой это то, что половина возбуждающеrо света бесполезно
теряется в процессе прерывания света и обшая чувствительность
уменьшается. Можно, однако, установить преI\ыватели в обоих
пучках и в этом случае прибор можно использОвать и как спек-
трофлу риметр, и как спектрофосфориметр (раздел III, Н, 1).
В этом случае последний недостаток устраняется.
РМ 1
Сиена",
t:fмyopecцeHции
"" "1
L 1 А 1
В
___ ;
R]
(tKOM)
Rz
(100 ОМ)
РМ ].
Vl1ра8.llяющuii
сиена",
f
R 2 (50"OM)
,--- --- ........ ,
J
I
I
I
I
...
L 2 '
А 2 :
s
........___........;
Рис. 77. Двухлучевая Схема.
4. Калибровка ПО чувствителыюсти
Часто бывает необходимо сравнить интенсивности двух све-
товых потоков, различающиеся на несколько порядков, НС:lПри-
мер при измерении замедленной и быстрой флуоресценции
одноrо и Toro же жидкоrо раствора. Общую чувствительность
прибора можно изменять за счет усилителя или напряжеН!IЯ пи
тания фотоумножителя (см. раздел III, Д, 4). Комбинируя оба
метода, можно получить большие изменеrIИЯ в чувствите.'1ЬНОСТИ.
Так, преДПО.'10ЖИМ, что мы имеем усилите.'1Ь с диапазонами,
соответствующими усилению в 1, 3 и 10 раз. Фотоумножитель
удовлетворительно работает при интенсивНОСТЯХ света, соответ-
ствующих токам от 0,002 до 20 мкА или более, т. е. это соста-
вшiет интервал чувствительности 104 (из рис. 73 видно, что это
соответствует изменению напряжения питания фотоумножите.'1Я
от 600 до 1800 В). Относительные ве.'1ИЧИНЫ диапазонов чув-
ствительности можно определить следуюшиМ обраuзом. В кювет
ное отделение помешают сильно флуоресцируюш ии раствор, aHa
лизирующий монохроматор устанавливают на длину волны, уда-
ленную от максимума спектра флуоресценции, устанавливают
на анализируюшем монохроматоре узкие щели, выбирают
10-кратное усиление на усилителе и устанавливают напряжение
света вызывает одинаковое изменение сиrналов с фотоумно-
жителей РМ 1 и РМ 2 , и, следовательно, это не ВЛИяет на поло-
жение пера потенциометра Р.
В схеме имеются ДВа простых дополнительных приспособле-
ния. Первое представляет собой неБО.'1ьщое сопротивление (В),
включенное последовательно с наrрузочным СОПРОтивлением Ll
усилителя сиrнала ф.'1уоресценции. Небо.'1ЬШОЙ ток, пrопускае
мый через это СОПРОТИВ.'1ение от специальной батареи, создает
падение напряжения, которое компенсирует темновой ток фото-
умножителя при работе с бо.'1ЬШОЙ чувствительностью. ДЛЯ BTO
poro УСИ.'1ите.'1Я такой компенсации не требуется, так как фото-
умножитель РМ 2 всеrда работает при сравнительно низкоЙ чув-
ствительности и скомпенсировать темновой ток можно обычной
реrу.'1ИРОВКОЙ установки нуля, имеюшейся у усилителя. Второе
Приспособ.'1ение состоит из СОПРОТИВ.'1ений R 2 и R з , которые поз-
ЕЮЛЯЮт подавать на скользящий контакт небо.'1ЬШУЮ ДОJJЮ сиr-
нала с А;? Реrулируя R7, можно смеЩёН» НУ.'1Ь самописца, :ц-
210
rЛАВА 111
АППАРАТУРА И МЕТОДЫ Э СПЕРИМЕНТА
211
подразумевается под терминами тушение и эффект внутреннесо
фильтра. Под тушением подразумевают все процессы, KOTO
рые приводят к уменьшению KBaHTOBOro выхода флуоресцен
цИИ :IЛИ фосфоресценции. Эти процессы уже были обсуждены
в разделах 1, Б, 1, 1, В, 2, 11, А, ".
Н, Б и II, В. В этих процессах
поrлощаемая люминесцирующеЙ
молекулой энерrия расходуется
6езызлучательным путем. Это
ВНутренняя конверсия, интерком-
QиНационная конверсия, перенос
/энерrии, а также дезактивация,
вызываемая столкновениями с
друrими молекулами paCTBopeH
Horo вешества. Тушение люми
несценции, таким образом, явля-
ется фундаментальным явлени-
ем, характерным для системы
при определенных условиях, и не
зависит от способа проведения
эксперимента, в котором оно ис-
следуется. Напротив, эффекты
BHYTpeHHero фильтра предста
вляют собой методический арте-
факт. Они не влияют на первич-
ные процессы испускания света
возбужденными молекулами, но Рис.
уменьшают наблюдаемую интен-
сивность люминесценции за счет
поrлошения либо возбуждаюше
[о света, либо люминесценции
внутри исследуемоrо образца. Паркер и Рис [150] рассмотрели
два типа эффектов BHYTpeHHero фильтра: а) дополнительное
поrлощение возбуждающеrо света и б) поrлощение испускае
мой люминесценции. Мы обсудим их при рассмотрении трех
основных типов расположения образца, показанных на рис. 78.
на фотоумножителе 1800 В. Эти условия соответствуют обшей
чувствительности 10000.
Ширина щели подбирается так, чтобы добиться отклонения
на всю шкалу самописца. Усиление усилителя затем снижается
до tpexkpathol-о и реrистрируется отклонение. Отношение этих
двух полоЖенИй пера самописца точно соответствует чувстви
тельности HOBoro диапазона (приблизительно 3000). При этом
диапазоне чувствительности увеличивают ширину щели или
устанавливают длину волны ближе к максимуму флуоресценции
так, чтобы получить отклонение пера на всю Шка.'lУ саМОПИСЦа.
Коэффициент усиления усилителя теперь снижают до единицы
и по показанию самописца определяют чувствительность HOBoro
диапазона (приблизительно 1000). Эта процедура повторяется
при меньших напряжениях на фотоумножителе, так что полу-
чается ряд точных значений чувствительности, соответствуюш их
приблизительно 300, 100, 30, 1 О, 3, 1. Если используются стаби
лизированные усилитель и источник BbIcoKoro наПряжения, эти
величины должны воспроизводиться в пределах нескольких про-
центов в течение длительноrо времени. Рекомендуется проверять
линейность в некоторых интервалах (особенно при малых ЧУВ-
ствительностях), помешая фильтры с известным пропусканием
в пучок возбуждающеrо света или измеряя интенсивность флуо
ресценции несколь'шх растворов с известной концентрацией
флуоресцирующеrо вешества при таких условиях, для которых
известно, что интенсивность флуоресценции пропорциональна
концентрации.
З. ФАКТОРЫ, ОПРЕДЕЛЯЮЩИЕ ВЫБОР rЕОМЕТРИЧЕскоrо
РАСПОЛОЖЕНИЯ ОБРАЗЦА
1. Эффект BHYTpeH1teZO фильтра и тушение
rеометрическое расположение пучка возбуждаюшеrо света
и выбор направления наблюдения флуоресценции по отношению
к образцу остаются одними из наиболее спорных пунктов при
изrотовлении спектрофлуориметроJ3. Отчасти это обусловлено
разными назначениями приборов в каждом конкретном случае,
отчасти различной чувствительностью используемых приборов,
а также и тем, что мноrие путают понятия тушения и эффекта
енутреннес:о фильтра.
Пренебрежение основными закономерностями послеДllеrо
приводило в недавнем прошлом ){ использованию неудобной
rеометрии и к неправильной интерпретации получаемых резуль
татов и было одноЙ v.з причин Toro, что методика флуоресцент
ных Измерений была встречена некоторыми исследователями с
недоверием. Необходимо, сJ1едов{jтелы\,, определить, что ще
! +
t
'F
I
t
а
1-
[2[] ,
"
J,
А t
/0 I I I
-I"'F
, 11
I tI'
в
! lU
\ I
\ I
\F/
\ /
t
6
I
Ш
I
I
i F
t
z
78. Методы освещения и
реrистрации [150].
а и б освещение ПОД прямым yr лом;
в фронтальное освещение; е освеще-
ние в ЛИНИЮ.
2. Эффекты внутре1tне;ю фильтра при освещении
под прямым уzлом
При освешении под прямым уrлом (а и б На рис. 78) БОЗ.
бvждаюший свет (10) проходит через образец под прямым уrлом
к. направлению, Б котором наблюдается флуоресценция, и кю
ветное отделение в этом случае располаrается T ){, Что на фото
умножитель попадает только свет от освешеннои жидкости, а не
от освешенных стенок кюветы (а на рис. 78). Преимущества
212
rЛАВА III
213
АППАРАТУРА И МЕТОДЫ ЭI(СПЕРИМЕНТА
TaKoro расположения состоит в том, что примесь постороннеrо
света, возникающеrо при отражении света ОТ стенок кюветы или
за счет флуоресценции самой кюветы, минимальна. Так как воз
буждаюший свет должен пройти через слой жидкости AD (тол-
щиной d), прежде чем он
достиrнет участка, испуска-
ние из KOToporo фиксируется
фотоумножителем, то интен
СИВНость уменьшается в
10 Dd раз, rде D полная
оптическая плотность на 1 См
раствора при длине волны,
используемой для возбужде
ния. Расположение а удобно
только для слабо поrлошаю
щих растворов. Если произ
ведение Dd меньше 0,02
(4,6% поrлощения), то нет
необходимости вводить ка-
кие либо поправки. При
больших значениях Dd необ-
ходимо вводить поправку на
долю возбуждаюшеrо света,
поrло- поrлощаемоrо на отрезке
спектр AD, а при сильно поrлошаю
щих растворах флуоресцен-
ция концентрируется около
передней стенки кюветы и
не попадает в фотоумножи-
тель. В этом случае фото
умножитель не реrистрирует
никакоrо сиrнала и попра
вочный коэффициент для Dd становится таким большим, что
не имеет смысла ero использовать. Эффекты дополнительноrо
поrлощения возбуждающеrо света можно уменьшить путем
реrистрации испускаемой флуоресценции ПОчти со всей ширины
кюветы, т. е. в слое между d\ и d 2 , как показано на рис. 78, б.
Если d! мало, флуоресценцию можно реrистрировать фотоумно-
ЖИтелем даже в сильно поrлощающих растворах, хотя интенсив
насть не будет пропорциональна концентрнuии с момента, коrда
Dd 2 превысит несколько процентов. Поправка к наблюдаемой
интеНСИВi10СТИ флуоресценции (Р) будет давать вели'IИНУ (р о ),
кОторая должна была бы наблюдаться в отсутствие эффекта
BHYTpeHHero фильтра [131]
F /Р 2,303D (d 2 d 1 )
о 10 DdJ 10 Dd, .
Для значений РО/Р больше 3 коррекция становится неправиль-
ной.
В сильно концентрированных растворах наблюдается иска
жение наблюдаемоrо спектра возбуждения флуоресценции. Так,
на рис. 79 при увеличении кон-
центрации бисульфата хинина
с 1 до 1 О MKr на 1 мл (кривые
А и Б) высота OCHoBHoro мак-
симума возбуждения (COOTBeT
ствующеrо максимальному по
rлощению) уменьшается OTHO
сите.i]ЬНО слабоrо максимума с
меньшим волновым числом.
При более высоких KOHцeHTpa
циях (кривая В) поrлошение
возбуждаюшеrо света в основ-
ном максимуме возбуждения
становится таким большим,
что значительная часть флуо
ресценции не реrистрируется
фотоумножителем, если для
возбуждения используется
свет с волновым числом MaK
симума и наблюдаемый спектр
возбуждения имеет минимум
в этой точке. Остальная часть
спектра также искажается.
Искажение спектра возбу-
ждения может быть вызвано
наличием BToporo paCTBopeH
Horo вещества, имеющеrо
сильное поrлошение при неко-
торых длинах волн. Это осо-
бенно коварный эффект, так
как он может привеети к не-
нерной интерпретации спек
троВ возбуждения. Хорошим
п имером этоrо может служить
влияние различных концентраций бензола на основную полосу
возбуждения антрацена (рис. 80). БензоЛ флуоресцирует в KO
ротковолновой области, далеко от полосы испускания антрацена о ,
Но первая полоса поrлощения бензола перекрывается со второи
полосой поrлощения антрацена (рис. 80, кривая Е спектр воз-
буждения флуоресценции бензола). В отсуuтствие бензола разба
вленный растВор антрацена дает истинны и спектр возбуждения
(кривая А). При увеличении концентрации бензола он поrло-
t
' 1
о:
..
E
0<::1
::t
:::s
:::t
>о
Е
\.>
Е
:t
::!
Е
::!
\)
\ ,"
\ "
\ I I
I ,1'
I f I
IJ 'Е
,
I
I
,
1
,
,
\
"
,
\
\
4,4 4,0 3,5 3,0 2,5
Вo.lIHoвoe ЧUС,.fО воз6уждаю
ш,еео света,.мк.м- J
,.
,/ r
;
4,4 4,2 4,0 3,8
BWfНoeoe ЧUС.llО воз6у:нсдаю'
щеzо Сбеmа. oМKoМ 1
Рис. 80. Влияние BToporo поrлощаю'
щеrо вещества на спектр возбужде-
ния [150].
Спектры возбуждения (при освещении под
прямым уrлом в кювете толщиной I СМ)
антрацена в этаноле (0,1 мкr/мл) в п"исут
ствин бензола; A O%. Б О.05%.. В и
E 0,125%, r 0.25%, Д 0.5% беизола. Для
крнвых A Д анализирующий МОНОХРОlllЗТОР
установлен на люминесценцию антрацеиа
(2,5 MKM 1); для кривой Е 011 установлен
на флуоресценцню бензола (З,6 MKM 1).
Рис. 79. Влияние иsбыточноrо
щения возбуждающеrо света на
возбуждения [150].
Раствор бисульфата хннина в 0,1 н. серной
кислоте при 200 С в Кювете толщиной I СМ.
A I мкr!мл; Б \О мкr!мл (прн поннженной
чувстqительности); В 100 мкr!мл (дальнейшее
сНижение чувствительности). 1\ ривые А, Б и
В освещение под прямым уrлом. I\ривая
r 10 мкr!мл nрн фронтальном освещенни н
оптической ТОЛщнне 15 ММ.
(235)
214
tЛАВА r![
возрастающую долю возбуждающеrо света, и это по
будет наибольшим в максимумах поrлошения бензола.
волновых числах испускание антрацена наименьшее и
на полосу возбуждения aH
трацена налаrается нечто
вроде перевернутоrо спектра
поrлощения бензола. Кри
вая В, например, ошибочно
может быть принята за
спектр возбуждения друrоI'О
неидентифицированноrо KOM
понента раствора. Чтобы из
бежать таких ошибок, необ-
ХОДИl\1Q проверять спектр по
rлощения раствора перед
измерением спектра возбу
ждения и, если необходимо,
разбавлять раствор до тех
пор, пока ero оптическая
плотность не станет доста-
точно малой в интересую
щем интервале длин волн.
Второй тип эффекта вну-
TpeHHero фильтра СВязан с
ПОI'лощением света флуорес
Ценции; это может быть по
I'лощение избыточной KOH
центрацией растворенносо
флуоресцируюшеrо веще
ства (са.мопоелощенuе) или
ПОI'лощение друrим раство-
ренным вешеством. При ос-
вещении под Прямым уrлом
,величину эффекта BHYTpeH
неео фильтра можно рассчитать, если известна длина пути
света флуоресценции через жидкость и Можно пренебречь BTO
ричным испусканием флуоресценции за счет поrЛОЩения пер-
вичной флуоресценции. Самопоелощенuе обычно влияет на ко-
ротковолновую часть полосы испускания флуоресценции, так
как в этой области происходит перекрывание полосы флуорес
ценции с первой полосой поrлощения (см. раздел 1, Б, 1 и рис. 2).
Присутствие BToporo растворенносо вещества, сильно поrло
щаюшеI'О в области, [де флуоресцирует ПЕ:рвое вешество, есте-
ственно, будет давать искажение спектра испускания ПОСJIеднеrо.
На рис. 81 показано искажение спектра испускания бисульфата
ХИНИна, I3ызываемое избыточным поrлощением флуоресценции
щает все
rлощение
При этих
!
""
1::'"'-
:!::
'-'
iE<;s
1:
""'-'
"':::
<;s
""'"
""'"
::\::.-
1:""
:::
<.>
с)
""
"
,
,
,
\
\
\
\
\В
\
\
\
\
\
\
\
\
\
\
\
\
\
\
\
,
2,6 2,4 2,2 2.0 1,8 1,6 1,4
ВO.lIновое чцc.;rо света ФЛ!Jорес
ценцuu, мкм- !
Рис. 81. Влияние BTJpOrO поrлощаю-
щеrо вещества на с[]ектр ЛlOминесценции
(освещение под прямым уrлом) [150J.
Возбуждсн 10 при 2,73 MKM J (266 нм). Оптиче-
ская толщина для сВета флуоресценции 2,5 СМ.
Ширина полосы анаJ!изирующеrо KBapIIeBoro
монохооматора 0,01 MKM J при 2,0 MKM J.
А раствор 80 MKr{MJ! бисульфата хинина
в О, [ и. серной КИСлоте при 200 С; Б то Же,
что и крива" А, плюс О, [2 М раствор хлорнда
иеодима и повышеНная чувствительность для
компенсации тушения; В спектральная ЧУВ
ствительность анализирующей системы (фото'
умножитель типа 9558).
АППАрАТУрА И МЕТОДЫ ЭКСПЕРИМЕНТА
215
хлоридом неодима. Основные пики поrлошения хлорида неодима
в перевернутом виде ясно видны в спектре испускания Б. Этот
конкретный пример имеет чисто педаrоrическое значение, по-
скольку едва JIИ имеет смысл измерять спектр БИСУJlьфата хи-
нина в столь концентрированных растворах хлорида неодима,
хотя бы уже по той причине, что хлорид неодима сильно IУШИТ
флуоресценцию совершенно независимо От эффекта BHYTpeHHero
фильтра. Неодим был выбран лишь для Toro, чтобы показать
сушность нвления, ПОСjфльку он дает ряд резких полос ПОrлО-
шения. Высокая конй,ентрация вешества, имеющеrо широкую
полосу поrлошения, будет также давать сильное искажение.
3. Эффекты BHYTpeHHezo фильтра при фронтальном
освещении
Эффекты BHYTpeHHero фильтра в некоторой степени менее
серьезны при фронтальном освешении (8 на рис. 78). и О('ЯОВ-
ное преимущество TaKoro расположения состоит в том, что
в этом случае можно измерять спектр испускания сильно по-
rлощающеrо раствора. Интерпретация результатов требует осто-
рожности, ПОСКОJ1ЬКУ И В этом случае может наблюдаться
сильное искажение как спектра возбуждения, так и спектра
испускания. В слабо поrлощающих растворах при фронтальном
освещении, как и при освещении под прямым уrлом, спектры
возбуждения и спектры испускания не искажаются при всех
длинах волн (без учета наложения фона) и наблюдаемая ин-
тенсивность флуоресценции пропорциональна концентрации и
коэффициенту поrашения [см. уравнение (21)]. Если KOHцeHTpa
ция возрастает настолько, что доля поrлощеннOI'О возбуждаю
щеrо света становится значительной, то наблюдаемая интен
сивность флуоресценции остается пропорциональной обшей
скорости испускания флуоресценции, но последняя уже не ЯВ-
ляется пропорциональной концентрации и коэффициенту поrа
шения. Она определяется теперь уравнением (18), и спектр воз-
буждения чскажается. Как и в случае возбуждения под прямым
УI'лом, наибольшее искажение происходит в той области, rде
поrлощение самое высокое, т. е. в максимумах спектров воз-
буждения, которые имеют меньшие величины, чем истинные зна-
чениЯ по отношению к минимумам. И наконец, при полном по
rлощении возбуждаюшеrо света на всех длинах волн и в при-
сутствии только односо ПОI'лошающеrо вешества наблюдаемая
интенсивность флуоресценции не зависит от волновоrо числа
(если квантовый выход постоянен), и тоrда спектр возбуждения
представляет собой прямую I'оризонта.rrьнуlO линию. Ясн , что
В этом случае он не может быть ИСПОJ1ьзован как критерии для
216
217
rЛАВА II!
АППАРАТУРА И МЕТОДЫ ЭКСПf:РИМf:НТА
идентификации. Эффект избыточноrо поrлошения при фронталь-
ном освещении виден на кривой r рис. 79, rде для концентра-
ции бисульфата хинина 10 MKr/M.'I rлавный максимум возбужде-
ния меньше, чем наблюдаемый
(при освешении под прямым yr-
лом) с разбавленным раствором
(кривая А). Степень искажения
зависит также от используемой оп-
тической толщины слоя. Так, при
облучении под прямым уrлом в
кювете толщиной 1 см эффектив
ная оптическая толшина составля
ла 0,5 см, в то время как при фрон-
тальном освещении в кювете тол-
щиной 15 мм она равнялась 15 мм.
При той же концентрации бисуль-
фата хинина фронтальное освеще-
ние дает более искаженный спектр
(кривая п, чем освешение под
прямым уrлом (кривая Б на рис. 79).
Присутствие BToporo поrлошаю-
шеrо вешества не влияет на поrло
щение до тех пор, пока общая доля
поrлошаемоrо возбуждаюшеrо све-
та мала, т. е. аналоrично освешению
под прямым уrлом. При полном по-
rлощении каждое растворенное ве-
шество будет поrлошать некоторую
долю возбуждаюшеrо света, про-
порциональную ero значению D, и
если значение D для BToporo рас-
TBopeHHoro вещества существенно
больше (а перенос энерrии не име
ет места), то флуоресценция перво-
ro pacTBopeHHoro вещества будет
полностью поrашена (но не поту-
шена). Простым примером этоrо яв-
ляется измерение спектра возбуж-
дени в растворителе, таком, как четыреххлористый уrлерод, ко-
торыи полностью срезает половину ультрафиолетовой области.
В коротковолновой области спектр возбуждения падает до нуля.
Фронтальное освешение это наилучший способ наблюде
ния спектров флуоресценции концеНТРИРОВdННЫХ растворов, но
при этом также возможны сушественные искажения спектров.
Например, на рис. 82 показано влияние добавления нафтаце-
на к раствору N фенил 2 нафтиламина. Возбуждающий свет
с волновым числом 2,73 MKM l (366 HAt) поrлошался сравни
тельно слабо и проникал на большое расстояние в rлубь pac
твора. В результате этоrо значительная часть наблюдаемой
флуоресценции проходила обратно через толстый слой pac
твора и, таким образом, частичнО
поrлощалась нафтаценом, в резуль-
тате чеrо происходило наложение
спектра поrлощения нафтацена на
спектр испускания фенилнафтил
амина (ср. кривые А и Б на рис.
82). Возбуждающий свет с волно
вым числом 3,19 MKM l (313 нм)
поrлощался сильнее и не проникал
в rлубь раствора. Поэтому свет
флуоресценции на обратном пути
проходил через тонкий слой pac
твора и меньше поrлощался нафта
ценом (кривая В на рис. 82).
Аналоrичные эффекты можно
наблюдать в концентрированных
растворах, содержащих только ok
но растворенное вешество, если ero
спектры поrлощения и флуоресцен-
ции перекрываются, так как доля
самопоrлошения будет зависеть от
rлубины проникновения возбуж-
дающеrо света. Так, при фронталь
ном освешении светом с волновым
числом 2,04 MKM \ (490 нм) KOHцeH
трированный раствор флуоресцеи
на имеет обычный спектр испуска-
ния, так как возбуждаюший свет
полностью поrлошается в очень
тонком слое в передней части кю
веты (кривая А на рис. 83) и Ha
блюдается очень малое самопоrло
шение флуоресценции. Однако если для возбуждения исполь-
зуется свет с волновым числом 2,73 MKM \ (366 нм), то проис-
ходит значительное проникновение возбуждаюшеrо света
в rлубь раствора. Большая часть флуоресценции должна затем
пройти через слой раствора, который сильно поrлощает в KO
ротковолновом участке полосы флуоресценции. В результате
этоrо коротковолновый участок полоСЫ почти полностью отсут-
ствует в наблюдаемом спектре и возникает значительное иска-
жение, особенно в области, расположенной слева от максимума
истинноrо спектра. Максимальная величина наблюдаемоrо
:1:
2.
I::
E
.....
O!::S
::S
::r
gj
E:i!
c'S-
i
А
1
2,8 2,4 2,0 1,6
Во,,{новое чис,,{о C(iema
ф.1lуоресценциu, _Hкм 1
рис. 82. Влияние BToporo
поrлощающеrо вещества на
спектр люминесценции (фр('н
тальное освещение) [150].
А 100 мкr/мл N'феНИk2'нафтила.
мнна в бензоле с возбуждением прн
2,73 ИЛИ при 3,19 MKM I; Б то же,
что и кривая А, НО в присутствии
40 мкr/мл нафтацена (возбуждение
при 2,73 MKM l); B TO же. что и
кривая Б, но с большим поrлощеннем
возбуждающеrо света (3.19 MKM I).
1 и 2 соответственно поrлощение н
и флуоресцепцня нафтацена. Ши-
рина полосы кварцевоrо анализи
рующеrо монохроматора 0,\ мкм J
при 2,0 MKM 1,
1
oO
Et'S
:r:<I>
g,
<1>15
::S:z:
.....
i
"':
::r
:Z
I)
i
А
2,2 2,0 1,8 1,6
Bo.;rHOeoe ЧUC.IfQ света
фАуоресценцuи ,"",k,M-1
Рис. 83.. Влияние самопоrло-
щения на спектр флуоресцен-
ции (фронтальное освещение)
[150].
Раствор флуоvесцеина концеИтрацин
4.\0 M при рН 11.
А возбуждеllие при 2.04 MKM I
(490 нм); Б возбуждеНие прн
2,73 MKM 1 (366 им), Чувствитель-
нОСТЬ и интенсивность возбуждаю
щеrо света одинаковы ДЛЯ обеих
кривых.
218
tЛАВА ttt
АППАРАТУРА И МЕТОДЫ ЭКСПЕРИМЕНТА
219
в сильно поrлощающих растворах максимум возбуждения
уменьшается по отношению к минимуму, а при полном поrло-
шении при всех длинах волн
наблюдаемый спектр возбуж
дения (для длин волн флуо-
ресценции, не поrлошаемых
раствором) l1редставляет co
бои прямую rоризонтальную
линию. На этом принципе oc
нован счетчиК квантов флуо
ресценции (см. раздел 111,
Д,5).
Искажение спектра флуо-
ресценции в результате caMO
поrлошения или поrлощения
флуоресценции вторым веше
ством при расположении в ли-
нию больше, чем при фрон-
тальном освещении или осве-
щении под прямым уrлом, так
как в сильнопоrлощаюшем
растворе весь свет флуорес-
ценции должен пройти весь
слой жидкости до Toro, как
попасть в реrистрирующий
прибор. Тем не менее распо-
ложение в линию имеет пре-
имушество перед фронталь-
ным расположением, так как
ero леrче осуществить и Ha
блюдаемая интенсивность не
так сильно зависит от точ-
Horo положения кюветы, co
держащей образец. ПО этой
причине такой метод исполь-
зуется для исследования влия-
ния больших концентраций на
флуоресценцию pacTBopeHHoro
вещества. При выполнении та-
ких измерений не следует иr-
норировать тот факт, что часть
спектра подвержена самопо
rлошению. Например, на рис.
84 показаны результаты, полу
ченные для нескольких концентраций антрацена в неоткачан-
ном этаноле, возбуждаемоrо светом с длиной волны 248 нм ли-
спектра сдвиrается поэтому в сторону меньших волновых чисел
(ср. кривые Б и А на рис. 83). Изменение в спектре испуска
ния с изменением длины волны возбуждения обычно прини
мается как доказательство Toro, что в растворе присутствует
более одноrо испускаюшеrо вешества, но это правило неприме-
нимо к концентрированным растворам, и, применяя ero, необ
ходимо измерять спектр поrлошения для Toro чтобы vбедиться
что наблюдаемые изменения в спектре испус'кания H связань;
с эффектом BHYTpeHHero фильтра.
4. Метод освещения в линию
Метод освешения в линию (е на рис. 78) дает для разбав-
ленных растворов неискаженные спектры возбуждения и ис-
пускания, и сиrнал пропорционален концентрации флуоресци-
руюшеrо вешества. В этом отношении .;этот метод похож на
фронтальный метод и метод освещения под прямым уrлом. При-
менение этоrо метода для измерения очень слабой флуоресцен-
ции имеет два" серьезных недостатка. Первый состоит в том, что
непоrлошенныи вuозбуждаюший свет непосредственно поступает
в нализирующии монохроматор, и если используется одинар
ныи монохроматор, то некоторое количество света, рассеивае
мое в монохроматоре, будет проходить через выходную щель
при всех длинах волн, и слабое испускание раствора может
быть замаскировано этим фоновым испусканием. Этот HeДOCTa
ток может быть устранен использованием двойноrо монохрома-
тора для анализа флуоресценции или использованием фильтра,
расположенноrо между образцом и анализируюшим МОНОХРО-
матором, который поrлошает возбуждающий свет, но пропу
скает флуоресценцию. Этот фильтр должен иметь очень слабую
собственную флуоресценцию. Вторым недостатком является На-
ложение нежелательных длин волн возбуждаюшеrо света. Оно
может вызываться рассеянием света внутри монохроматора
возбуждения (если это одинарный монохроматор ) или филь-
Трами, которые используются для выделения нужной Длины
волны возбуждаюшеrо света. Нежелательные длины волн воз-
буждаюшеrо света в области полосы флуоресценции будут про-
ходить прямо через второй монохроматор и вызывать очень
большой фон. Вопросы, связанные с флуоресценцией фона, по-
дробно обсуждаются в rл. V.
При измерении сильно флуоресцируюших растворов наложе
ние рассеянноrо света при освешении в линию менее значитель
но, и следует кратко обсудить преимущества TaKoro расположе
ния и эффекты BHYTpeHHero фильтра при ИСпользовании этоrо
метода. Что касается искажений в спектре возбуждения, то
эффекты здесь те же, что и при фронтальном освещении, т. е.
I
I
I
I
I
I
I
360
Д.ilина ВO.iIНЫ, Н.IIf
Рис. 84. Самопоrлощение и концен-
трационное тушение при расположе
нии в линию.
Коицентрацня аитрацеиа в этаноле: 1
l.10 6 М; 2 3.4'lO 6 М; 3 3.4'10 5 М;
4 3 4.1O 4 М; 5 З,4.10 3 М; возбуждение
248 M; оптическая толщина 15 мм. Между
образцом н входной щелью монохроматора
помещена кювета с бензолом. б кювета
с бензолом удалена, а вместо образца по-
мещена кювета с чиСТыМ этан:олом.
220
rЛАВА 111
АППАРАТУРА И МЕТОДЫ Э СПЕРИМЕНТА
221
нии ртутной лампы, выделенной двойным кварцевым монохро-
матором. Спектры анализировали с помошью BToporo ,двойноrо
монохроматора, поэтому наложением возбуждаюшеrо света,
рассеянноrо анализирующим монохроматором, можно было
пренебречь. Однако один источник помех показан кривой 6, он
является сиrналом от кюветы с чистым этанолом. Это испуска
ние дает линза из плавленосо кварца, используемая для фоку-
сировки флуоресценции на входную шель анализирующеrо MO
нохроматора. От этой флуоресценции избавлялись заменой лин-
зы из плавленоrо кварца на линзу из синтетической двуокиси
кремния или устраняли облучение линзы с помощью кюветы из
синтетической двуокиси кремния с бензолом, помещенной ме-
жду образцом и фокусирующей линзой анализирующеrо MOHO
хроматора. Остальные кривые иллюстрируют три эффекта: са-
мопоrлощение флуоресценции, влияние сильноrо поrлошения
возбуждаюшеrо света и концентрационное тушение. В разбав-
ленных растворах антрацена (кривые 1 и 2) самопоrлошение
флуоресценции ничтожно, и были получены практически неиска-
женные спектры При увеличении концентрации первая (корот-
коволновая) полоса флуоресценции сильно поrлощалась из-за
перекрывания с полосой поrлощения и практически полностью
отсутствовала в более концентрированном растворе (кривая 5).
Напротив, поrлошение при 400 нм было пренебрежимо мало во
всех раствораХ,Иllнтенсивностьосновной колебательной полосы
при этой длине BOJIНbI, таким образом, являл ась мерой скорости
испускания флуоресценции растворов. Поrлошение было пол
ным при концентрации 3,4. 10 5 М, И интенсивности флуоресцен-
ции при 400 нм В этом растворе и в растворе концентрации
3,4. 10 4 М были одинаковыми (кривые 3 и 4). Интенсивность
флуоресценции уменьшалась в растворе концентрации 3,4. 10 3 М
из за концентрационноrо тушения (см. раздел. 11, Б, 2).
Друrим преимуществом расположения в линию является то,
что оно позволяет сравнивать интенсивность флуоресценции
(или замедленноrо испускания) растворов, содержашихся в раз-
ных цилиндрических кюветах, при условии, что оптическая тол
шина кювет одинакова. Наблюдения при освешении таких кю
вет под прямым уrлом MorYT привести к ошибкам, так как
люминесценция наблюдается через искривленную поверхность,
а rеометрия последней обычно неодинакова для разных кювет.
Это несушественно при освешении в Линию, rде используются
только два плоских окошка кюветы. Цилиндрические кюветы
удобны в тех случаях, коrда перед измерением нужно вакууми-
ровать раствор (см. раздел 111, И, 2), так как они выдерживают
замораживание лучше, чем прямоуrольные кюветЫ. Применение
освещения в линию при определении KBaHToBoro выхода обра
зования триплетов описано в rл. IV.
При использовании линейноrо расположения очень важно
избеrать сканирования монохроматора флуоресценции через
весь интервал возбуждаюшеrо света. Если это все таки случит-
ся при слабо поrлошающем растворе, на фотоумножитель по-
падет интенсивнЫй пучок света, что может вывести ero из строя.
Для предотвращения этоrо можно использовать зашитный
фильтр, например бензол (см. рис. 84).
5. Выбор расположения образца
Из предыдущеrо обсуждения ясно, что используемое распо
ложение зависит от типа изучаемоrо образца и целей исследо-
вания. Здесь будут рассмотрены три типа образцов: а) разбав-
ленные растворы или rазы, для которых поrлощение
возбуждающеrо света мало для всех исследуемых длин волн;
б) концентрированные растворы; в) непрозрачные твердые тела
и кристаллические или замороженные при низкой температуре
растрескавшиеся растворы. Выбор расположения для непрозрач
ных твердых тел ясен; нужно использовать фронтальное OCBe
шение, как показано на рис. 78, в. Растрескавшиеся или поли-
кристаллические образцы также обычно лучше Bcero изучать
при фронтальном освешении. Выбор для слабо поrлошаюших
растворов также ясен; здесь чувствительность спектрофлуори-
метра оrраничивается не чувствительностью прибора, а общим
фоном, который возникает за счет рассеянноrо возбуждающеrо
света, флуоресценции стенок кюветы, примесей в растворителе
и т. д. Так как рассеянный свет и флуоресценция кюветЫ MeHЬ
ше при освешении под прямым уrлом (свет от освещаемых сте-
нок кюветЫ не попадает на фотоумножитель), чем при всех ви-
дах фронтальноrо расположения и расположения в линию (rде
. свет попадает), освешение под прямым уrлом наиболее удобно.
Выбор расположения для умеренно поrлощающих растворов
определяется целью исследования и величиной ожидаемых эф-
фектов внутренне,о фильтра. Если необходимо измерить СИJIЬНО
поrлощаюшие растворы, то выбор между фронтальным распо-
ложением и расположением в линию должен определяться до-
пустимой степенью флуоресцентноrо света. Во всех опытах
с сильно поrлощаюшими растворами необходимо учитывать
искажения и ошибки, аналоrичные эффектам BHYTpeHHero филь-
тра, и следует измерять и принимать во внимание спектр поrло-
щения раствора при выборе длины волны возбуждения и при
интерпретации наблюдаемой флуоресценции. В аналитических
исследованиях иноrда необходимо измерять концентрированные
растворы, например при добавлении избытка peareHTa для п
ревода исследуемоrо вещества во флуоресцируюшую форму.
Следует тшательно учитывать эффекты BHYTpeHHero фильтра
222
rЛАВА ПJ
АППАРАТУРА И МЕtоды э1<СПЕРИМ-Ен1'А
2 g
(примером может служить определение следов бора по реак-
ции с бензоином, см. rл. У). Вообше в аналитических исследо-
ваниях существует хорошее правило разбавлять растворы до
тех пор, пока эффекты BHYTpeHHero фильтра не станут прене-
брежимо малыми или требующими лишь небольшой поправки
при освешении под прямым уrлом. При этих условиях каждое
флуоресцируюшее вещество, присутствуюшее в смеси, имеет
свой собственный спектр, не зависяший от всех друrих.
Идеальным спектрофлуориметром является прибор со CMeH
ным держателем кювет, который позволял бы использовать лю-
бое расположение: фронтальное, в линию или под прямым yr-
лом. Желательно, чтобы монохроматор возбуждения, лампа
и т. д. составляли один блок установки, а анализирующий моно-
хроматор и фотоумножитель друrой, так, чтобы можно было
леrко изменить их взаимное расположение в зависимости от
конкретных требований.
чества рассеЯННfJrо возбуждающеrо света и флуоресценции кю
веты, и в работах при большоЙ чувствительности их можно ис-
ПОЛьзовать только в сочетании с двоЙными монохроматорами
(или с одиночными монохроматорами с очень эффективными
фильтрами) для возбуждающеr() яе'l' fl света флуоресценции.
Стеклянные кюветы прозрачнЫ примерно до 320 нм в зави-
сиМости от толщины стенки. Однако при длинах волн, меньших
'[
Е: :t:
<.> :t:
О"
:t:
"'<:>
'-'1:)..
5 t::
1:;
:t: "
;:,
to; :::
<:>::1
'" ::t
.о :t:
;G
i:j
g.
:t::::r,
CS
И. КЮВЕТНЫЕ ОТДЕЛЕНИЯ И КЮВЕТЫ ДЛЯ ОБРАЗЦОВ
1. Кюветы для работы при комнатной температуре
Для измерения фJIуоресценции неоткачанных разбавленных
растворов при освещении под прямым уrлом наиболее удобной
является прямоуrольная кювета размером 1 Х 1 см и высотоЙ
около 5 6 см. Для уменьшения рассеяния света следует отпо-
лировать все четыре боковые стенки. Необходимо следить за
тем, чтобы рассеянныЙ свет от освешаемых стенок кюветы не
попадал в анализируюшиЙ монохромато'Р, и кюветное отделение
надо конструировать так, чтобы пучок вс>збуждаюшеrо света
после прохождения кюветы как можно быстрее отводился (Ha
пример, уходил в конус со стенками из черноrо бархата), а не
отражался обратно, вторично облучая стенки кюветы, открытые
для анализируюшеrо монохроматора. Для получения макси-
мальной чувствительности при очень малых количествах иссле
дуемоrо вещества можно использовать небольшую кювету таких
размеров, чтобы она соответствовала размерам сфокусирован
Horo пучка Света из выходноЙ шели монохроматора возбужде-
ния. Например, если максимальная ширина изображения щели
2 мм, а высота 15 мм, то вполне подходя шей будет кювета раз
мером 3 Х 3 мм, наполненная до высоты 20 мм. Объем раствора,
таким образом, будет в 10 раз меньше объема, необходимоrо
для стандартной кюветы 10 Х 10 мм, а чувствительность на об-
ший вес образца соответственно больше. [Травда, изrотовить Ma
ленькую кювету из плавленоrо кварца с плоскими стенками
далеко не просто. Можно использовать цилиндрические микро-
кюветы, но в этом случае возникают относительно большие коли-
А
4,0 3,6 J,Z Z.8 Z,4 2,0 1.6
Bo.lf новое ЧUС.llО света фАgорес
це"ции, .мK.м !
Рис. 85. Спектры фотолюминесценции плавленоrо кварца и Синтетической
двуокиси кремния при комнатной температуре [150J.
А оптичесКИй плавленый кварц (чувствительность Х 1); Б тот же образец, но чувстви-
тельность Х 20; В синтетическая двуокись кремния (чувствитеЛЬНОС1Ь х 540); r то же,
что и В (чувствительность Х 6З 000). Возбуждение 4,03 MKM (248 ИМ).
360 нм, поrлошение стенок кюветЫ вызывает искажение спектра
возбуждения, а ниже 300 нм практически весь свет поrлощается.
Можно получить специальные стекла, прозрачные до 250 нм, но
для спектрофлуориметрии лучше использовать кварцевые кю
ветЫ или кюветы из двуокиси кремния. Поскольку часто прихо-
дится работать с очень разбавленным!! растворами, необходимо
избеrать флуоресценции стенок кюветы даже при освещении под
прямым уrлом, коrда освешаемые стенки кюветы закрыты для
анализируюшеrо монохроматора. Природный плавленый кварц
даже оптическоrо качества почти всеrда содержит следы приме-
сей (например, алюминия), что вызывает флуоресценцию при
облучении светом с длинами волн в области 250 нм. Синтетиче
ская двуокись кремния более чиста и после соответствующей
тепловоЙ обработки имеет очень слабую флуоресценцию. Сле-
дует отметить, что даже такая чистая двуокись кремния
224
t ЛАВА ItI
АППАРАТУРА И МЕТОДЫ ЭКСПЕРИМЕНТА
225
флуоресцирует, если ее подверrнуть неправильной термической
обработке, и при приобретении кювет из синтетической двуоки
си кремния необходимо учитывать уровень флуоресценции. Из
рис. 85 видно, что различные типы двуокиси кремния имеют раз-
ную флуоресценцию. Флуоресценция лучшеrо образца из синте-
тическоrо материала (кривая Т) была в 105 раз меньше флуо
ресценции образца из оптическоrо
кварца (кривая А). В разделе
У, В, 2 приведен при мер влияния
флуоресценции кюветы из плавле
Horo кварца при работах с высокой
N2 чувствительностью.
В rл. II было кратко обсуждено
тушение флуоресценции растворен-
ным кислородом, а при меры этоrо
тушения приведены в rл. У. Обыч-
ные растворители, насыщенные воз-
духом, содержат около 10 3 М кис-
лорода. Степень тушения флуорес
ценции этим кислородом варьирует
от 1 % для соединений, имеющих
сильную первую полосу поrлоще
ния и низкий квантовый выход
флуоресценции, до 95% для ве-
ществ с долrоживущей флуорес-
ценцией. Тушение кислородом фос
ф()ресценции и замедленной флуо
ресценции HaMHoro больше, поэто-
му необходимы специальные Предо
сторожности, описанные в разделе
III, И, 2. Тушение флуоресценции
кислородом можно леrко предот
вратить, пропуская в раствор перед измерением азот из балло
на (содержание кислорода менее 10 3 %). В большинстве слу
чаев достаточно закрыть кювету ПЛОТНОй крышкой со стеклян
ной трубкой для ввода rаза. Дщ: более сильноrо обескислоро
живания кювету надо закрывать стеклянной пробкой с вводной
трубкой. Для присоединения кюветы к баллону с rазом лучше
Bcero использовать шланr из ПО.lIиэтилена или rибкую Металли-
ческую трубку, а не резиновые шланrи. Если проводятся точ
ные измерения и если процесс откачивания занимает значитель
ное время, rаз необходимо заранее насыщать парами paCTBO
рителя для предотвращения потерь за счет испарения.
В некоторых флуориметрических реакциях, например при
определении следов бората по era реакции с бензоином в ще-
лочном растворе, необходимо обескислородить peareHTbl перед
о.
о
о
А
о
о
о
о
4с.#
Рис. 86. К:ювета для проведе-
ния реакции и для измерения
фотолюминесценции в обески
слороженных растворах [13IJ.
смешиванием во и::;бежание образования флуоресцирующих про-
дуктов окисления. Кювета для этих целей изображена на
рис. 86. После барботирования через раствор в кювете А азот
проходит через вводную трубку В, нижний конец которой за
крыт и служит в качестве пробки, не позволяя peareHTY, нахо-
дящемуся в ловушке, перетекать в кювету. rаз попадает в жид
кость через малеНькое отверстие Н в стенке ПОДВОДящей трубки
Е
P:::C)::: T:
у
.\ I
\ I
- :-:
= :f==
\1
r
1\
''''+1....'
, ,t l 'о
. \'......./ /
... ..
Рис. 87. К:юветное отделение f131J.
А свет РТУТИОЙ лам 1Ы; В диск прерывателя; С стеклянный или жидкости ой Фильтр:
D кювета из двуокиси кремния; Е аиализирующий. моиохроматор; F прерывистый
возбуждающиЙ свеТ из монохроматора, G фотоумножитель для фильтрованноrо света
флуоресценции. При измерениях поrлощеиия вместо G размещают источник сВета.
и выходит через кольцеобразное отверстие в верхней части ло-
вушки. Коrда обескислороживание закончено, вводную трубку
HeMHoro поднимают и жидкость из ловушки перетекает в кювету.
На рис. 87 изображено удобное и универсальное кюветное
отделение для исследования жидкостей при комнатной темпера-
туре. Это металлическая камера с четырьмя отверстиями и вер-
тикальным вкладышем, при помощи K01'OpOro каждая из двух
кювет, содержащих стандартный и испытуемый растворы, вдви-
rается Б пучок света. Содержимое каждой кюветы, таким обра-
зом, можно освещать и наблюдать различными способами, на-
пример освещать фильтрованным возбуждающим светом от А
или светом из монохроматора возбуждения Р. Возникающую
флуоресценцию можно реrистрировать монохроматором Е или
непосредственно измерять через фильтры фотоумножителем а.
Помещая в положение А фотоэлемент, а в положение F Источ-
ниК света, одновременно с флуоресценцией раствора можно из-
мерять поrлощение им возбуждающеrо света.
При точных измерениях интенсивностей флуоресценции при
фронтальном возбуждении необходимо особенно тщательно
8 3ак, 1281
226
t пАВА IIt
АППАРАТУРА И МЕТОДЫ ЭКСПЕРИМЕНТА
227
откачка. Вакуумная система должна быть по ВОЗМОЖНОСти про
стой с короткими широкими соединительными трубками для
поддержания равномерной скорости откачивания. Блок схема
такой системы приведена на рис. 89. Оптическая кювета может
14
с
подбирать положение образца и направление пучка возбуждаю
щеrо света. На рис. 88 представлена схема одноrо из таких рас-
положений. Пучок света от монохроматора возбуждения отра-.
жается от поверхности алюминиевоrо зеркала М и фокусируется
на отверстие А, за которым располаrается исследуемый обра
зец. Образцом может быть кювета с жидкостью, бумажная
xpoMaTorpaMMa, хроматоrрафическая колонка или вещество,
оч щенное зон нои плавкой (Z). с помощью специальных уст-
роиств образец можно вращать и перемещать, что позволяет
установить распределение изоли
рованных флуоресцирующих при
месей. Отраженный пучок воз-
буждающеrо света поrлощается
черным бархатом V или друrой
нефлуоресцирующей черной ма-
товой поверхностью. Флуоресцен-
ция образца фокусируется лин-
зой L на входную щель S анали-
зирующеrо монохроматора. Зер-
кало М можно вращать BOKpyr
вертикальной оси, поэтому изоб-
ражение А выходной щели воз-
буждающеrо монохрома тора
Рис. 88. Кюветное 07 деление при можно отреrулировать так, что.
фронтальном освещении. бы оно находилось на оптиче-
ской оси SL. Если удалить зерка-
ло М и поместить кювету в положение С, то кювеТНое отделе-
ние можно использовать для освещения под прямым уrлом,
хотя для получения оптимальноrо освещения щели S линзу L
нужно зам нить при этом друrой линзой с более коротким фо-
кусным расстоянием.
Как и при любом способе фронтальноrо освещения, значи.
тельное количество рассеянноrо возбуждающеrо света проходит
в анализирующий монохроматор. Для работ с большой чув
ствительностью анализирующий монохроматор и монохроматор
возбуждения должны иметь дополнительные фильтры или необ
ходим о использовать двойные монохроматоры. Кюветы и тру.
бочки, содержащие образец, должны иметь очень слабую флуо-
ресценцию.
7f
с
м
Рис. 89. С':ема установки для обезrаживания растворов.
8. D форвакуумный и диффузиоииый иасосы; М маиометр Маклеода; С ловушки;
P MaHOMeTp Пиранн; T KpaHЫ.
иметь различную форму и paiMepbI в зависимости от целей. Но
обычно применяется леrко изrотовляемая цилиндрическая пи-
рексовая или кварцевая кювета диаметром 2,5 см с оптической
толщиной 2 см. Она должна
иметь длинную боковую труб-
ку с ВНУТреННИМ диаметром
по крайней мере 1 см для
присоединения к вакуумной
системе (рис. 90).
Растворы в летучих рас-
Творителях деrазируют сле-
дующим путем. Кювету сна-
чала замораживают смесью
ацетона с сухим льдом и от-
качивают. Затем отключают
ее от системы краном Тl
(рис. 89), содержимое размо-
раживают для удаления рас-
TBopeHHoro rаза, вновь охлаж
дают смесью ацетона с сухим Рис. 90. Кювета для обезrаживания
льдом и откачивают. Кран Тl растворов [111].
снова закрывают и содержи-
мое кюветы размораживают. Эту процедуру повторяют три раза,
и полученный раствор практически не содержит кислорода и
уrлекислоrо rаза. Последние следы кислорода удаляются по-
вторным о лаждением в этаноле при температуре 1100 С, от-
качиванием до давления 10 5 мм рт. ст., размораживанием (с за-
крытым краном T 1 ), повторным охлаждением и т. Д. Эту опера-
2. Вакуумная ОТ1Сачка 1Сювеt
Как фосфоресценция, так и замедленная флуоресценция
13 жир.ком растворе при комнатной температуре тушатся чрез-
вычаино малыми концентрациями молеКулярноrо Кислорода, и
gаиболее надежным способом удаления кислорода является
8*
Место
отпайки
228
rЛАВА 111
АППАРАТУРА И МЕТОДЫ Э СПЕРИМЕНТА
229
люминесценции. Через блок пропускают термостатированную
80ДУ или друrую жидкость.
Для работ при высокой или низкой температурах удобен
kt3aрцевый СОСУ/!' Дьюара, аналоrичный показанному на рис. 91.
Oll имеет четыре пары окошек, располо- Н
женнЫХ на одинаковой высоте: две пары
в JlиllИю и две друrие 'пары тоже в ли
нию под прямым уrлом по отношению
к первым двум парам. Рекомендуется
использовать сравнительно большой со.
суд Дьюара, чтобы в Hero можно было
ПОМестиtЬ цилиндрl1ческую кювету тол
щиной 2 см с приспосоБJ1ениями ДJ1Я кре-
пления. При большой емкосТи темпера-
туру кюветы можно поддерживать при
77К в течение нескольких часов без до'
бавления жидкоrо азота. В продаже
обычно имеются непосеребренные сосу'
ды Дьюара с трубкой для откачки. Та-
кой сосуд Дьюара необходимо осторож-
но вымыть хромовой смесью, водой и
спиртом. Затем осторожно влить сереб-
рящий раствор сначала в верхнюю по.
ловину, затем в нижнюю, оставляя непо-
серебренной полоску на уровне окошек.
После промывки сосуд Дьюара откачи-
вают до BbIcoKoro вакуума при HarpeBa
НИи до 280 3000 С в течение одной двух
недеЛЬ перед окончательной отпайкой. Рис. 91. Сосуд Дьюара
Тщательная откачка до BbIcOKoro BaKYY и КlOвета ДЛЯ измерений
ма обеспечивает впоследствии малую при высоких и низких
скорость испарения жидкоrо азота и по температурах.
зволяет избе жать намо р аживания влаrи W окошки кварцевоrо со'
суда Дьюара; Т ящик из
на окошках. жести; S резииовые про'
кладки; D скобы с проре'
Сосуд Дьюара помещают в прямо- зями G для держателя кю-
а еру ( см веты Н; С кювета с длии-
уrольную металлическую к м " иой трубкой А; L плотНые
рИС. 91), закрепленную наверху скоба крышки; N жидкнй азот или
друrая охлаждающая жид.
ми, имеющими пазы, в которых скользит кость.
держатель кюветы. Кюве:rу закрепляют
в держателе с помощью резиновых сальников. Две пары поли
этиленовЫХ крышек предотвращают конденсацию влаrи в со-
суде Дьюара, коrда он наполнен жидким азотом. u
Такую же конструкцию можно использовать для измерении
при контролируемых температурах до 1150" С; сосуд Дьюара
наполняЮт эта нолом и охлаждают до нужно и температуры до-
равлением жидкоrо аЗОТq. Температуру иэмеряют термопарой,
цию продолжают до тех пор, пока давление rаза над жидкостью
в изолированном от насоса объеме после размораживания и по-.
BTopHoro охлаждения будет менее 2. 1 0 5 мм рт. СТ. Кювету ох-
лаждают, суженную часть трубки наrревают в течение несколь-
ких минут при откачивании и отпаивают. Фосфоресценцию или
замедленную флуоресценцию нужно измерить немедленно (см.
ниже) и снова ИЗi.1ерить после выдерживания в течение ночи.
Совпадение результатов двух измерений покажет, насколько хо-
рошо была откачана кювета.
Относительно нелетучие жидкости, таКие, как rлицерин или
пропиленrликоль, трудно размораживать без ДОПОЛНИ'reльноrо
наrревания, и они хуже обескислороживаются. Следует по воз-
можности больше кислорода удалить и-з растворов перед напол-
нением, пропуская ток азота при температуре 500 С. Затем про-
вести серию охлаждений и размораживаний, как было описано
для летучих жидкостей, но после каждоrо охлаждения и OTKa
чивания деrазировать раствор наrреванием ero до 500 С и силь-
ным встряхиванием (вращая BOKpyr смазанноrо Ш.1ифа).
Хорошей смазкой шлифов кюветы является апьезон L; если
размораживание проводить осторожно и использовать кювету,
изображенную на рис. 90, то заrрязнение раствора смазкой прак
тически ничтожно.
Описанные цил!дндрические кюветы можно использовать для
освещения под Пj.lямым уrлом, фронтальноrо освещения или
освещения в ЛИЩIЮ. При измереЩIЯХ под прямым уrлом цилин
дрические стенки кюветы закрывают отрезком черной полиэти
леновой трубки с прямоуrольным отверстием размером 1 Х 1,5 см
для пропускаН:1Я люминесценции. Кювету освещают через одну
из плоских стенок, а люминесценция наблюдается через OTBep
стие на цилиндрической поверхности. Если сравнивать интен
сивности флуоресценции двух растворов, находящихся в раз
личных кюветах, то будут возникать ошибки из-за различной
кривизны. Но такое сравнение редко приходится делать при из
мереН(lИ фосфоресценции или замедленной флуоресценции, по
скольку интенсивность последней можно сравнить с обычной
флуоресценцией Toro же раствора при ИдеНТИЧНЫХ условиях.
Кювету с длинной трубкой, показанную на рис. 90, можно удоб
но разместить в сосуде Дьюара для измерений при высоких и
низких температурах.
3. Измерения при реzулируемой температуре
Для измерений при температурах, близких к комнатной, пря
моуrольную кювету помещают в полый латунный блок, имею
щий люк для кюветы, стенки KOToporo плотно касаются стенок
кюветы, и ОКОШКи для прохождения возбуждающеrо света и
G
D
т
w
230
rЛАВА 111
АППАРАТУРА И МЕТОДЫ ЭКСnЕРИМЕнtА
251
прикрепленной к стенке Кюветы, и если сосуд Дьюара хороший,
то за время измерений спектра флуоресценции и фосфоресценции
температура возрастает лишь на 2 30 С. ДЛЯ мноrих целей Ta
кая точность вполне достаточна. С помощью небольшоrо прово
лочноrо наrревателя можно Повышать температуру и измерять
спектры при нескольких температурах. При температуре выше
комнатной рекомендуется заменить этанол
водой. В интервале от 115 до 1500 С вме-
СТО этанола следует брать изооктан.
Описаны различные конструкции для бо-
лее точноrо реrулирования температуры. Pac
смотрим кратко кювету конструкции Хирш-
берrа и Фишера [151]. Она предназначена для
измерения поrлощения и может быть леrко
переделана для фотолюминесцентных измере
ний. Эта Кювета состоит из Кварцевоrо сосу-
да Дьюара А (рис. 92) с плоскими окошками
и имеет вверху шлиф N. Кварцевая кювета С
толщиной 10 мм соединена с помощью пере-.
хода D с пирексовым конусом. Кювета под-
держивается с помощью шлифа Е пирексовой
насадки Р. rазообразный охладитель или на-
rреватель вводится в сосуд Дьюара через
трубку G с помощью полусферическоrо шли-
фа М и выходит из сосуда Дьюара через
трубку Н. Кювета окружена с двух сторон
медной оболочкой, а термопара (вставленная
через друrую трубку, не riоказанную на рис.
92) помещена между оболочкой и кюветой.
Термопара служит для измерения и реrули
ровки темцературы с помощью специальноrо
реrулятора. Для температур ВЫШе 200 С воз-
дух пропускают через наrревательную катуш-
ку, ток в которой контролируется термопарой. Для интервала
от 160 до 10° С испаряют жидкий воздух с помощью неболь-
шоrо электронаrревателя, ток в котором реrулируется термо-
парой. Для температур между 20 и +200 С поддерживается
постоянная скорость кипения жидкоrо воздуха, и поток холод-
ното во"духа проходит через наrревательную катушку, ток
в котороЙ тоже реrулируется термопарой. .
На рис. 93 показано приспособление для измерения люминес-
ценции тонких слоев в твердых растворах при 77 К при фрон-
тальном освещении. Оно состоит из блока В, прикрепленноrо
к толстому стержнюR; и тот и друrой изrотовлены из меди и,
следовательно, имеют большую теплопроводность. Маленький
прямоуrQлъньrй держател!> r Сf<QЛЪ3t1т в пазах переДНей стенкц
Рис. 92. Опти-
ческая кювета с
испс lIьзованием ra
зообразных Be
ществ для Harpe-
вания или охлаж-
дения [151].
блока и находится в тесном контакте с поверхностью последнеrо.
Внешняя поверхность держателя имеет прямоуrольное уrлубле-
ние (2 Х 3 см, rлубина 3 мм), в которое Помещают образец.
Держатель вынимают из блока с пОмощью тонкой стальной руч-
ки Н. МеднЫЙ блок устанавливают в сереДине большоrо поли-
ypeTaHoBoro блока Е, который служит теплоизолятором. Поли-
уретановый блок укрепляют на верхней части сосуда Дьюара D
с жидким азотом. Медный стержень поrружают в жидкий азот,
Е
М
G
s
F
N
х
....... R fJ
S
N
W
Н tL
D
А
С
В
Рис. 93. При бор для фронтальноrо освещения при низкой температуре.
прtl эт м медный блок и образец охлаждаются до температуры,
близкои к температуре жидкоrо азота. Температуру нижней
части держателя измеряют с помощью термопары. В боковые
отверстия полиуретановоrо блока вставлены цилиндрические
откачанные кварцевые кюветы W. Они предотвращают конден-
сацию влаrи на образце и служат окошками, через которые
проходят возбуждающий свет и свет люминесценции. При под-
rOToBKe образца к измерениям держатель Т вынимают из бло-
ка В через прямоуrольный вырез S с помощью ручки Н. Затем
держатель охлаждают, поrружая ero в жидкий азот. В уrлуб-
ление наливают несколько капель раствора и сразу же после
замерзания раствора держатель быстро вставляют в блок В.
Через несколько минут образец rOToB для измерения.
Большинство растворителей при замерзании образуют стекла,
которые сильно растрескиваются при температуре Жидкоrо азо-
та, и в этом случае кюветы часто ломаются. Поэтому для наблю-
дения под прямым уrлом выбор растворителей, дающих прозрач-
нЫе стекла, оrраничен (см. раздел III, Н, 7). При фронтальном
освещеНИИ разрушения кюветы можно избежать, если перед
tJiABA Iil
АППАРАТУРА И МЕТОДЫ ЭКСПЕРИМЕНТА
233
помещением ее в сосуд, Дьюара заморозить ТuО!IКий слой рас-
твора на одной из стенок кюветы, поrруженнои в жидкий азот
в rоризонтальном положении.
к. ИСПРАВЛЕНИЕ СПЕКТРОВ
простым путем используя флуоресцентный счетчик квантов
(см. разделы III, Д и 111, Е). Результаты, приведенные на рис. 94,
иллюстрируют этот метод исправления. Верхняя кривая А
характеризует относительную квантовую интенсивность возбуж-
дающеrо света, сплошная кривая Б спектр поrЛОЩения би-
сульфата ХИНина, а нижняя кривая В реrистрируемый (неис
правленный) спектр возбуждения. Поскольку Интенсивность
1. Испрqвление спектров возбуждения
Чтобы измерить спектры возбуждения флуоресценции рас-
твора с помощью однолучевоrо спектрофлуориметра, устанавли
вают монохроматор флуоресценции (если необходимо, при широ-
ких щелях) на длину волны максимума полосы флуоресценции
исследуемоrо вещества. Затем монохроматор возбуждения CKa
нируют в определенном интервале длин волн при постоянных
щелях и реrистрируют изменение интенсивности флуоресценции
в зависимости от длины волны или волновоrо числа возбуждаю-
щеrо света. Получаемый таким путем неисправленный спектр
возбуждения зависит от характеристик используемоrо прибора и
часто очень сильно отличается от истинноrо спектра. Связь меж-
ду неисправленным и истинным спектрами возбуждения МОЖно
установить следующим путем. Сиrнал фотоумножителя (Р)
прямо пропорционален общему потоку Q испускаемой образцом
фЛУGресценции, который для слабо поrлощающих растворов
определяется ур ,внением (21), поэтому
Р == kQ === kJ о 2,38Cl) qJf' (236)
rде k константа прибора. Т.qким образом, для раствора дaH
ной концент ации в отдельной кювете
Р сх lo8qJf, (237)
rде 1 о квантовая интенсивность возбуждающеrо света, падаю-
щеrо на образец; она меняется в зависимости от длины волны,
устанонленной на монохроматоре возбуждения в соотВетствии
с характеристиками источника и монохроматора. Величина 8qJj
является фундаментальной характеристикой флуореСЦl;Iрующеr'?
вещества при определенных условиях измерения, а l!СТИННЫИ
спектр возбуждения это зависимосТь 8qJj от длины волны или
волновоrо числа возбуждающеrо света. Так как для большин-
ства вешеств квантовый выход флуоресценции 'Р! не зависит от
длины волны возбуждающеrо света, то истинный c eKTp воз-
буждения в большинстве случаев является копиеи спектра
поелощенuя вещества (см раздел 1, Б, 4 и рис. 6).
Для получения истинноrо спектра возбуждения на основе ре-
rистрируемой кривой прежде Bcero следует определить измене-
ние 10 с длиной волны при помощи термобатареи, калиброван-
Horo фотоэлемента, ферриоксалатноrо актинометра или более
Выход /1
с монохро.:иаrrwра х! А . Х2 А О
квант",
Спектр
поиощеНU5! ( )
и истuнныu
спектр ..
возбуЖдения (о)
Ка.жЦЩUЙС51
спектр
вО30!l.ждеНUIil
1,5мкм t
I I
250 300
I I II
400 500 600 н.м
Рис. 94. Исправление спектра возбуждения вручную [158).
Бисульфат хинина в 0.1 и. серной кислоте; А относительная квантовая интенсивность
света, Быходящс.rо из кварцевоrо монохроматора с широкими щелями, при использовании
ксеноновой лампы; Б (сплошная линня) спектр поrлощення; Б (кружки) исправлениый
спектр .возбуждения, получеииый путем делення ординат кривой В на ординаты КI НВОй А;
В иеисправлениый спектр возбуждеиня (ннтеисивиость флуоресценции в зависимости от
80лновоrо числа, установленноrо иа монохроматоре возбуждения при постоянной ширине
щели).
возбуждающеrо света при коротких длинах волн быстро умень-
шается, в. реrистрируемом спектре возбуждения интенсивность
второй полосы поrлощения бисульфата хинина значительно
меньше, чем ИН1'енсивность первой полосы, в то время как в дей-
ствительности вторая полоса более интенсивна. Делением орди-
нат кривой В на ординаты кривой А леrко получить истинный
спектр возбуждения, который изображен кружками на кривой Б.
Он хорошо совпадает со СПеКТрОМ поrлощения.
Неблаrоприятное спектральное распределение источников
УФ излучения часто не позволяет различить важные детали
в неисправленном спектре возбуждения. Например, спектр по
rЛОЩения Щелочноrо раствора флуоресцеина имеет интенсивную
полосу в видимой области и три полосы в УФ-области (см. сплош-
ную кривую А на рис. 95), В неисправленном спектре возбужде-
ния, записанном при чувствительности, удобной для реrистрации
!з димо пщ!Осы, нет заметноrо возбуждения в УФ-оБJJaСТИ, 11
234
r ЛАВА III
АППАРАТУРА И МЕТОДЫ Э СПЕРИМЕНТА
235
ленные спектры возбуждения (или спектр, близкий к нему).
Паркер [143] впервые Описал такой прибор, принципиальная cxe
ма KOToporo приведена на рис. 96. В основе прибора лежиТ
использование счетчика квантов флуоресценции (раздел III, Д, 5)
и метода реr страции отношения сиrналов (раздел III, Ж, 3).
Возбуждающии свет из MO Р..
нохроматора М[ фокуси 1
руется на образец С, а He
которая часть пучка OTpa
жается прозрачной KB,apцe
вой пластинкой В на счет
чик квантов флуоресцен
цИИ Р, излучение KOToporo
реrистрируется фотоумно-
жителем Р 2 . Полоса флуо
ресценции образца С выде-
ляется монохрома тором М 2
и реrистрируется фотоумно-
жителем Р!. Усиленные сиr
налы с Р! и Р 2 подаются на
самописец R, р.еrистрирую
щий .отношение сиrналов
(см. рис. 77). При сканиро
вании монохроматора М!
ширина ero щели изменяется так, чтобы выход с фотоумножи-
теля Р 2 оставался приблизительно постоянным. Так как при
всех длинах волн на монохроматоре М!
Р 2 ос 10
для Toro, чтобы наблюдать ero, необходимо увеличить чувстви-
т льность приблизительно в 100 раз. Но даже и в этом случае
Ф полосы сильно искажены. После пересчета на постоянную
интенсивность возбуждающеrо света истинный спектр возбужде
ния (рис. 95, кружки кривой А), удовлетворительно совпадет со
спектром поrлощения.
Арrауэр и Уайт [152] предложили косвенный метод полvчения
данных для исправления спектра возбуждения. Они по азали,
Спектр
пое.lfОщениSl( )
и истинный
спектр
воаб!fжiJeнuSl(О)
Каж:ущиисSl
спектр
еоабуждения
4,5
L I
250
1.5 .м/(.м 1
, I I
500 600 н.м
Рис. 95. Сраiнение спектров возбуждения и поrЛJщеIIИЯ [158].
Флуоресцеии в !(арбоиат бикарбонатном буфере, А (сплошная линия) спектр поrлощения'
А (кружки) исправлеиный спектр возбужд иия; Б неисправлениый спектр возбуждени
(цитеИСflВНОСТЪ флуоресценции в зависимости от волновоrо числа, установленноrо на
моиохроматоре возбуждения при постояннОй ширине щели).
(см. раздел III, Д, 5) и
что квантовый В IХОД флуор;сценции спиртовоrо раствора хелаrа
алюминия с 2,2 диокси 1,1 азонафталин-4 сульфоновой кисло-
той постоянен в интервале 250 550 нм и путем сравнения неис-
правленноrо спектра возбуждения разбавленноrо раствора этоrо
соединения со спектром ero поrлощения можно получить данные
для вычисления поправочной крИВой комбинации монохрома тор
возбуждения лампа.
то самописец измеряет
Е;]
&J
с
Рис. 96. Схема прибора для измереНIIЯ
исправлеllноrо спектра возбуждения
[143].
Р[ ос 1 0 BCfJf'
(238)
(239)
Р.
fi; ос BCfJf,
(240)
т. е. исправленный спектр возбуждения. В своих экспериментах
Пар кер использовал 4,4. 10 3 М раствор флуоресцеина в смеси
карбоната и бикарбонат.а натрия (оба 0,1 н.) и нашел, что этот
раствор обеспечивает постоянство квантовой интенсивности
пучка возбуждающеrо света в пределах ::!:: 10% в интервале
230 450 нм. Такая точность является удовлетВорительной Д.ТIЯ
большинства целей, но счетчик квантов на основе родамина Б
предложенныIй Мельюишем [141], лучше и применим в более ши
роком спектральном интервале (см. раздел III, Д, 5). Возмож-
ности ориrинальноrо прибора Паркера можно оценить по рис. 6
и 97. На рис. 6 приведен непосредственно реrИСтрируемый спектр
2. Автоматическая реzистр ция исnр,авлеНЯblХ
Сn\!1стров возбуждения
Исправление сложных спектров возбуждения довольно TPy
доемкая процедура, и точность ero зависит от Toro, насколько
неизменным остаетсЯ спектральное распределение источника
в интервале времени от И3l\;lерения зависимости lс от длины вол-
ны до записи неисправленноrо спектра. Естественно, более удоб
bllV. является прибор, непосредственно записывающий исправ-
,\ f '
236
rЛАВА I!I
АППАРАТУРА И МЕТОДЫ ЭКСПЕРИМЕНТА
237
возбуждения разбавленноrо раствора 1,2 бензантрацена в срав-
нении со спектром поrлощения (измеренным при более высокой
концентрации). Спектр возбуждения аналоrичен спектру поrло-
щения, хотя и не идеНТИчен ему, поскольку использовалась раз-
ная ширина полосы" Искажение в
неисправленном спектре возбужде-
ния хорошо видно на рис. 97, rде
представлены результаты измере-
ний с раствором 5 окситриптамин
креатининсульфата. Кривая 1, по
лученная с помощью счетчика кван-
тов флуоресценции, аналоrична
спектру поrлощения и более полез-
на, чем кривая 2, которая записана
при постоянной ширине щели без
реrулировки с помощью счетчика
квантов. Вследствие быстроrо из-
менения интенсивности возбуждаю-
щеrо света с длиной волны неис-
правленная кривая мало похожа на
спектр поrлощения вещества.
В литературе описано MHoro
приборов для непосредственной за-
писи спектров возбуждения флуо-
ресценции [153 157]. В некоторых
приборах используются счетчики
квантов и реrистрируется величина
"epf, как описано ВЫше. В друrих
используется Тt:рмобатарея для pe
rулирования пучка возбуждающеrо
света и реrистрируется "ерfЛ, вели
чина, менее важная, чем "epf. В ря-
де приборов применяется фотоум
ножитель, термобатарея или друrое
приспособление для реrулирования
пучка возбуждающеrо света и ис
пользуются электронные устрой
ства для исправления изменений
KBaHToBoro выхода реrулирующеrо устройства с длиной волны,
так что реrистрируется точная кривая "epf. Для химиков, же-
лающих изrотовить свой прибор, метод Паркера наиболее
прост, так как с ero помощью записываются исправленные
спектры возбуждения с точностью + 10%, что впОлне прием-
лемо для большинства целей. Записанные спектры более точно
можно исправить последующИМ расчетом, определив сиrнал
счетчика квантов методами, описанными в разделе III, Д, 5.
.икм t
4,2 4,0 З,8 З,6 3,4 3,2 3,0
Рис. 97. Искажение неисправ-
ленноrо спектра возбуждения
в ультрафиолетовой области
[143].
5,Окситриптамиикреатиииису льфат в
воде; спектр возбуждеиия, записан-
ный <:0 счетчикОм кваитов (кривая 1)
и без Hero (кривая 2); флуоресцен'
ция реrистрировалась при 2,85
з,омкм l.
3. Исправление спектров испускания
Спектр испускания образца это зависимость интеНСИВНОс't'i1
люминесценции,. измеренной в квантах на единичный интервал
частоты (или волновоrо числа), от частоты или ВОлновоrо числа
(см. раздел I,Б,4), т. е. если Q представляет общее число кван-
тов cex волновых чисел), испускаемых в единицу времени, то
dQ/dv это интенсивность при волновом числе v а rрафик
dQ/dv в зависимости от v является истинным спектр м испуска
ния люминесценции. На практике спектр обычно изображают
в относительных, а не в абсолютных единицах.
Если Монохрома тор флуоресценции сканируется при постоян-
ной ШИрИНе щели и ПОСТОЯННОй чувствительности фотоумножи-
теля, то получаемая кривая является кажущимся, или неисправ-
ленным, спектром испускания. Для определения истинноrо
спектра на основе полученной кривой следует ввести поправку
на три зависящие от волновоrо числа величины, а именно кван-
товую эффективность фотоумножителя, ширину полосы MOHOXP()
матора и коэффициент. пропускания монохроматора. Сиrнал
с фотоумножителя А у при волновом числе у, соответствующий
кажущемуся спектру испускания, равен
Ау::: (dQ/dv) (PyByLy) == (dQ/dv) (Sy), (241)
I'де Р у относительная квантОвая эффективность фотоумн6жи
теля, Ву относительная ширина Паласы при Постоянной ши
рине щели MOHoxpOMaTo a и Lv доля света, проходящая через
монохроматор. Истинныи спектр испускания можно вычислить
из наблюдаемой кривой, разделив Ординаты кривой на соответ-
ствующую величину Sy. Sy это спектральная ЧУВСТВIl1ельность
комбин.ации монохроматор фотоумножитель (включая оптику
ВХОДНОИ щел.и); она пропорциональна сиrналу с ФОТОУМIlОЖИ
теля, которыи получался бы, если бы входная щель освещал ась
источником, Имеющим постоянное спектралЬное распределение.
Если для освещения входной щели монохроматора используется
диффузный ИСТОЧЫИК с известным спектральным распредеJlением,
так что коллиматор заполняется светом, а сиrнал фотоумножи-
теля (RSL) реrистрируется в зависимости от длины волны, то Sy
МОЖНО просто Определить из уравнения
Sy == RSL/(dQ/dv)SL' (242)
Этот метод обычно испОльзуют для калибровки в видимой об-
ла ти с пом щью вольфрамовой ЛНМПЫ,. работающей при извест-
нои цветовои температуре, из которои по уравнению Планка
[уравнение (226)] МОжно вычислить спектральное распределение
(dQ/dv) SL. На праКТИке с помощью лампы освещают экран из
окиси маrния, помещенный под уrлом напротив входной щели
2
238
rЛАВА III
(см. рис. 49, А). Затем коллиматор заполняют светом и опреде-
ляют точную величину Sv. Значения интенсивности лампы нуж-
но умножить на отражательную способность ОКlIСИ маrния
(табл. 23) И затем подставить их в уравнение (242) в виде
АППАРАТУРА И МЕТОДЫ Э СПЕРИМЕНТА
239
т аблuца 23
Отражательная способность окиси маrния [159]
ультрафиолетовоrо излучения точно не известно. Для этоrо ин-
тервала apKep [160] ПредлоЖИЛ довольно удобный метод, поз-
воляющии использовать флуоресцентныЙ экран для измерения
произведения PvL.v. Принцип метода показан на рис. 99. Экран
из окиси маrния изrотовляют, помещая алюминиевую пластинку
в облако дыма, получающееся при сrорании маrниевоЙ ленты,
и держат ero в нем до тех пор, пока вся фольrа не покроется
Длнна волны, l
НМ
о
20
40
60
80
160
:z:
IU
:r 120
1:1
:z:""
.,
З/.о
"' 80
:!:>:
"'
40
2,6
1.6
1,4
700 0,997
600 0,994 0,995 0,995 0,996 0,996
500 0,986 0,988 0,990 0,991 0,992
400 0,974 0,976 0,979 0,981 0,984
300 0,92 0,925 0,93 0,94 0,95
200 0,955 0,94 0,91
'(dQ/dv)SL' Если не использовать экран из окиси маrния, то не-
обходимо сделать несколько измерениЙ при различных положе-
ниях лампы относительно оптической оси прибора так, чтобы
освещались различные участки коллиматора, и определить сред-
нее значение. Эт,) необходимо, поскольку коэффициент пропуска
ния монохроматора может меняться в зависимости от Toro, ка-
кой участок. коллиматора освещаетсй.
Калибровечные данные для стандартных вольфрамовых ламп
обычно приводятся в единицах энерrии (ватты) на единичный
интервал длин волн [т. е. dE/d'A, соrласно уравнению (225)]. Их
нужно умножать сначала на соответствующие длины волн, что-
бы получить число квантов на единичнЫЙ интервал длин волн,
т. е. (dЕ/dЛ) 'А. Затем это значение нужно перевести в кванты на
единичный интервал частот умножением на ).,2 [см. уравнение
(214)]. Таким образом,
(dQ/dv)SL == 'АЗ (dEjd'A)sl., (Ц3)
2,2 2.0 1,8
BO.llffOBOe чuс"'о, .мк.м- 1
Рис. 98. Определение кривой чувствительности для видимо? области [158].
Спектрометр со стеклянной прнзмой и фотоумножитель типа Е.М,!. 9558. А относительное
спектральное раСПределеиие света стандартиой лампы, работающей при иветовой темпе-
ратуре 2856 (эиерrия на едииичиый интервал длии волн dЕ(dЛ)' В то же ЧТО н А н
на едииичиый интервал ВОЛИОВJ>IХ чисел dQldv; в выход с фотоумиожителя 'при пост ян
НОЙ ширине щели; r кривая спектральной чувствительиости Sv (т. е. ордннаты кривой В.
делеиные иа ордииаты кривой Б). Все кривые нормироваиы при 0,56 мкм.
о
а. фактор чувствительности равен
R SL
SV === 1..3 (dЕ/dЛ)SL .
Различные стадии вычисления показаны на рис. 98. Так как
результаты вычисления на различных стадиях выражены в от-
носительных единицах, то при одной длине волны все кривые
нормированы к одному и тому же значению.,
ОписанныЙ выше метод обычно неприменим к уль"'рафиоле-
тов6й области, поскольку спектральное распределение ламп
(244)
однородным толстым слоем окиси. Бен форд и сотр. [159J опре-
делили коэффициент отражения окиси маrния в видимоЙ и уль-
трафиолетовой областях; он варьирует в пределах 8% в интер-
вале 2 0 500 нм (табл. 23). Экран помещают под уrлом перед
входнои щелью комбинации монохроматор фотоумножитель,
которую предстоит калибровать (М 2 Р 2 на рис. 99), и в центре
расходяu:еrося пучка из монохрома тора возбуждения М\, свет
в которыи поступает от ксеноновой лампы L. ДЛЯ фокусировки
пучка, как показано на рис. 99, необходимо Использовать axpo
матическую линзу или же вводить поправку на изменение фо-
KycHoro расстояния линзы в зависимости от длины волны [161].
Вместо линзы можно использовать BorHyToe зеркало, как пока-
заНО на рис. 74, Б. Расстояние х (рис. 99) должно быть большим
по сравнению с расстоянием v, так чтобы экран равномерно осве-
щался светом с Интенсивностью, пропорциональной общей KBaH
ТQ!Ю интенсJ'jВНОСти пучка. Последнюю измеряют с Щ>МОЩЬЮ
240
rЛАВА 111
АППАРАТУРА И МЕТоды ЭI\СПЕРИМЕНТА
241
счетчика квантов флуоресценции (В F P 1 ), которыЙ пред-
варительно прокалиброван по термобатарее или ферриоксалат
НОМУ актинометру (см. разделы III, Д и Е) д.тrя получения He
скольких относительных значений квантовой эффективности
счетчика СРу' Операция, которая следует за калибровкоЙ, опи
сана ниже вместе со ссылкоЙ на табл. 24, в К010рОЙ приведены
результаты, полученные для монохроматора с кварцевой приз
моЙ и фотоумножителя Е. М. 1. 6256.
: ",,1f .*L
z В М .....\1.....
:::>c .:Q{[:.:::.
s ... "
l'
fj'
'!J R
1
Величины PyLy в rрафе 5 вычислены из ау, <ру и Ry (rрафы 2,
3 и 4 в табл. 24). С помощью данных по дисперсии прибора (их
можно получить также по методу, описанному в разделе III, 5,5),
определяли значения Ву (rрафа 6), а затем ВЫЧИСЛЯЛИ Sy. Тот
же метод можно использовать и для ртутной лампы, устанавли
вая монохрома тор М] на длину волны основных ртутных линий.
т аблuца 24
N\етод вычисления спектральной ЧУВСТвительности
в ультрафиолетовой области
l
МКМ
iJy
<Ру
Ру I PyLy I Ву
Sy
3,0 0,93 1,04 5,67 6,34 0.0462 О,
3,2 0,92 1.05 6,05 6,90 0,0425 О,
3,4 0,9 r 1,05 6,83 7,80 0,0390 О,
3,6 0,9 1,06 6,78 7,90 0,0352 О,
3,8 0,94 1,07 4,78 5,44 0,0318 О,
4,0 0,95 1,08 3,05 3,47 0,0288 О,
293
293
304
278
173
100
;r и
Rv ос PyLyay/r.py.
(245)
Если имеется ряд соединений, для которых точно определен
исправленный спектр флуоресценции, то измерение неисправлен-
ных спектров этих соединениЙ на приборе, которыЙ надо кали-
бровать, позволяет вычислять спектральную чувствите.льность
с помощью уравнения (242), в котором (dQ/dv)SL представляет
собой известное спектральное распределение одноrо из стандарт-
ных соединений, а RSL наблюдаемую веJ1ИЧИНУ. Существенно,
чтобы образец не содержал друrих флуоресцирующих веществ
и чтобы флуоресценцию измеряли при тех же самых условиях
(температура, концентрация, растворитель, рН и т. д.), Д.тIЯ KO
10рЫХ известны стандартные спектры флуоресценции. Наибол е
часто используются два вещества с известными стандартными
спектрами флуоресценции: эт6 БИСУ,ТIьфат хинина в разбавленной
серноЙ кислоте (0,1 или 1,0 н.) И антрацен (см., например,
рис. 2). Мсльюиш [162] рекомендует бисульфат хинина для Ka
либровки спектрофлуориметров в видимой области. НанБOJIее
часто это соединение используют. в интервале 41 0 520 нм, вне
ЭТОl.0 интервала интенсивнОСТЬ флуоресценции падает до низких
значений по сравнению с максимумом, и для ПО.тIучения точных
кривых спектральной чувствительности необходима большая
осторожность. В частности, следует учитывать рассеянный свет,
рамановское излучение и т. д. ЛИlIперт и сотр. [163] Измерили
исправленные спектры испускания ряда соединений, которые
охватывают почти всю ВИдимую область спектра. Они исполь-
зовали концентрированные растворы и метод фронтальноrо
освещенИя. Арrауэр и Уайт [152] нашли, что три из этих С9еДfl
Рис. 99. CX Ma калибровки спектрометра флуоресценции в ультрафиолето-
вой области [160J.
L ксеноновая лампа, М 1 монохроматор возбуждения: В пластинка из двуокиси KpeM
иия для рассек;::ния пучка; F кювета из двуокиси кремния толщиной 0.5 мм, содержащая
флуоресцирующий раствор; Р\ управляющий фотоумножитель; S экран, покрытый MgO;
М, монохрЬматор флуоресценции; Р, фотоумножитель ф,'уоресценции.
В"одная щель монохроматора М 2 открывается HeMHoro, а вы-
ходная щель открывается ПО.'IНОСТЫО (соответственно ширине
полосы л). Ширины щелей монохроматора возбуждения YCTa
навливаются одинаковыми и меняются при ero сканировании
так, чтобы сиrнал счетчика оставался постоянным. Необходимо,
чтобы полная ширина полосы, проходящей через монохроматор
возбуждения, была всеrда меньше /" так чтобы вся полоса
длин волн, пропускаемых монохроматором М], попадала на фо
тоумножитель Р2, коrда длины волн двух монохроматоров сов-
падают. При каждой длине волны монохроматора ьозбуждения
М 1 сканируется монохроматор флуоресценции М 2 и отмечается
максимальный сиrнал (R y ) фотоумножителя Р 2 . Так как сиrнал
счетчика остается постоянным, то входная щель монохроматора
М 2 освещается светом с интенсивностью, ПРОПОРЦИОН3.1Iьной
ау/<ру, ДОЛЯ которой L у попадает на фотоумножите,JIh и вызывает
сиrнал R y , пропорциональный квантовой зффективности фото
умножителя (Ру). Поэтому
АППАРАТУРА И МЕТОДЫ Э СПЕРИМЕНТА
243
242
r ЛАВА III
g
:.:
IC:::S
ID
Ii
I:S
i
:::S
300
700
в ряде работ, особенно если не требуется исправлять спектры,
эти аномалии не имеют значения. Их следует у'штывать при
исправлении спектра, они являются также существенными в при-
борах, предназначенных для прямой записи спектров испуска-
ния. При сравнении неисправленных спектров на.тшчие аномалий
следует иметь в виду, поскольку если их эффект налаrается на
широкую бесструктурную полосу испускания, то она может Ka
заться имеющей некоторую структуру.
Хотя до сих пор нет общепринятых методов изображения
спектров флуоресценции, следует придерживаться предложений,
выдвинутых rруппой международных экспертов [164]. На рис. 2
(см. rл. 1) изображены исправленные спектры, представденные
двумя из трех способов, описанных в rл. 1. Следует отметить,
что для фотохимических целей наиболее удобно изображать
, dQ/dv в зависимости от v. Изображение dQ/d'A в зависимости от
').. используется в случае решеточноrо монохроматора из за удоб-
ства вычисления. Интеrрирование последней кривой по-прежнему
дает общий квантовый поток флуоресценции, как уже указыва
лось ранее. Изображение dE/d'A в зависимости от 'л (см. рис. 2)
в фотохимических исследованиях большрrо смысла не имеет,
так как интеrрирование кривой дает поток общей энерсии, а по-
следний не имеет никакой связи с, выходом флуоресценции.
При i'Iспользовании любоrо метода для исправления спектров
флуоресценции исправленный спектр будет являться истинным
СПеКТрОМ испускания в том случае, если приняты меры предо
сторожности для предотвращения значительноrо поrлощения
флуоресценции самим раствором (см. раздел III,З об эффектах
BHYTpeHHero фильтра).
нений (бисульфат хинина, 3 аминофталимид и м нитродиметил-
анилин) имеют практически такие же спектры испускания и в
разбавленном растворе при освещении под прямым уrлом, и по
казали, что для нафтола форма спектра меняется при разба-
влении и поэтому он не может быть хорошим стандартом в этих
условиях. Они рекомендовали спиртовый раствор хелата алю
миния с 2,2' диокиси 1,1' -азонафталин 4 cy льфокислотой в ка-
чecTBe дополнителыюrо стандартноrо соединения.
По причина м, рассмотренным в разделе 1, Б, 4, теоретически
более важными являются исправленные спектры флуоресценции
400 500 600
,4Аllна вОАНЫ, НОМ
Рис. 100. Кривая сп.ектральной чувствительности решеточноrо монохрома-
. тора с фотоумножителем типа 9558Q [IIIJ.
в зависимости от волновоrо числа или частоты, т. е. dQ/dv в за
висимости от v. Площадь под исправленной кривой пропорцио
нальна Q, общей скорости испускания флуоресценции при всех
длинах волн. Если для анализа спектров испускания исполь-
зуется решеточный монохроматор, то неисправленный спектр
автоматически реrистрируется в шкале, линейной по длинам
волн. При такой записи значительно проще вычислять испра-
вленный спектр в шкале длин волн, т. е. изображать dQ/d'A
в зависимости. от 'А. Интеrрирование исправленноrо спектра бу
дет по прежнему давать Q обш,ИЙ поток флуоресценции при
всех длинах волн. Для получения dQ/d'A из реrистрируе!l!ОЙ кри
вой необходимо знат различные значения спектральной чув-
ствительности (S,J. ОНИ связаны с S-y соотношением
SЛ == S-уJ,2. (246)
На рис. 54 и 100 приведены Примеры кривых спектральной
чувствительности в двух видах (S-y и S,J. Видно, что кривая ДJIЯ
призменноrо монохроматора является rладкой и непрерывной,
(j то время как на кривой для решеточноrо монохроматора
ИМ fOТ(;я неровности, которые оБУСJI9влены а.номалиям!'! рещеткп.
4. Автоматическая реzистрация исправленных
спектров испускания
Коррекция спектров испускания требует MHoro вре ени, oco
бенно если спектры имеют тонкую структуру. По этои причине
большинство спектров, имеющихся в литературе (включая и эту
книrу) , приведены «неисправленными». Для большинства целеи,
коrда необходимо качественно или количественно сравнить не-
сколько спектров, измеренных на одном и том же приборе, эти
неисправленные спектры вполне приrодны. Однако ценность
спектров для друrих исследователей, особенно если это спектры
чистых соединений, значительно возрастает, если их представить
в исправленной форме. Для расчетов можно использовать вы-
числительную машину, как это сделано Драше,:1I.1IOМ и сотр. [165],
но .rIучше Bcero использовать прибор, которыи непосредственно
реrистрирует исправленный спектр испускания. Описано множе
ство методов автоматической реrистрации [153 155, 166 171].
244
r ЛАВА IJI
АППАРАТУРА И МЕТОДЫ Э СПЕРИМЕНТА
245
И-ноrда используют механический эксцентрик, соединенный с ба-
рабаном длин волн для обеспечения корректировки прибора;
в друrих случаях при меняют электрическое устройство для KOp
ректировки либо путем изменения щелей монохроматора, либо
за счет введения оптическоrо клина в пучок света, либо изме
нением чувствительности детектора; некоторые исследователи
используют счетно решающее устройство. Здесь мы опишем
весьма универсальный метод rамильтона [167]. Корректирую
щий механизм леrко подоrнать под кривую коррекции прибора
6
циометр имел большое число контактов-ответвлений, причем
потенциал каждоrо ответвления был отреrулирован T K, что был
пропорционален функции коррекции при длине волны, соответ-
ствующей данному ответвлению. Отрезок спирали потенциоме
тра между соседними ответвлениями обеспечивал линейную
интерполяцию между их потенциалами. Выходной сиrнал был
приблизительно пропорционален функции коррекции при всех
длинах волн с точностью, зависящей от расстояния между coceд
ними ответвлениями и rладкости функции. rаМИ.1JЬТОН использо
вал 36 отрезков и получил точность коррекции, превышающую
J
о. .ш
+5B
R2
R1
RJ
Все20
37 секций
х
Ре
Рис. 101. Схема fамильтона для непосредственной реrистрации исправлен-
ных спектров флуоресценции [167J.
1..... источник CB'2 ; 2.... образец; 3...... прерывзтель; 4..... сиrнал сравнения; 5...... моиохроматор;
6 фотоумн )житель; 7 мотор; 8 панели управления; 9 усилитель; 10 сервомиожи'
тель; Il фазовый детектор; 12 самописец.
Выход
Винтовой потенциометр
с отвеmвollения.ми
-- Перемещение
или леrко пеlJестроить, коrда кривая коррекции меняется в ре-
зультате старения фотоумножителя или при замене фотоумно-
Жит ля.
На рис. 101 показана блок схема установки rамильтона.
Свет от источника (при желании фильтрованный) прерывался
с частотой 400 [ц. Флуоресценцию образца анализировали
монохроматором и фотоумножите.1Jем, и поскольку щели моно-
хрома тора не входили в систему коррекции, их при необходимо-
сти можно было менять. Сиrнал фотоумножителя УС!.:ЛI1вался,
умножался на функцию коррекции чувствительности и реrи
стрировался с помощью фазочувствительноrо детектора, СИI'наЛ
сравнения для KOToporo подавался с комбинац и фотосопроти
вление лампа, установленной на прерывателе. Детектируемый
сиrнал подавался на самописец.
Усиленный сиrнал фотоумножителя необходимо было YMHO
ii<:Ить на величину, обратную спектральной чувствительности
комбинации монохрома тор фотоумножитель. Функция кор-
рекции аппроксимировалась набором линейных отрезков. Ис-
пользовался спиральный потенциометр, движок KOToporo пере-
мещался при вращении барабана длин ВОЛН (рис. 102). Потен-
Рис. 102. Панель управления fамильтона и винтовой потенциометр с ответ-
влениями [167J.
Виитовой (спиральный) потенциометр, 15 витков, 375 кОм, линейиость 0,1 %, 360тветвленнй,
7,34 кОм на каждый отрезок; Rl 22 Ом, R2 и R3 подбираются; общее сопротивление сек.
ции "'220 Ом; РС печатная схема.
точность, с которой можно определить кривую спектральной
чувствительности. Напряжения на ответвлениях создавались
с помощью заранее отреrулированных потеНIlиометров (рис. 102),
питаемых от стабилизирован'ноrо ИСТОЧНИка напряжения 5 В.
Поrенциометры были выполнены в виде леrко заменяемых пе-
чатных схем. Выходной сиrнал спиральноrо потенциометра упра-
влял простым потенциометрическим сеРВОМНОЖителем, который
умножал сиrнал фотоумножителя на функцию коррекции.
. rамильтон использовал решеточный спектрометр с бараба-
ном, линейным по длинам волн, и с помощью BToporo MHoroKoH
TaKTHoro спиральноrо потенциометра, соединенноrо механически
с первым, он автоматически реrистрировал спектры со шкалой,
линейной уже в волновых числах. Система BToporo ПОТЕ:НЦИО
метра была отреrулирована Ta чтобы сразу переводить длины
волн в волновые числа, а выход с Fero подавался на ось абсцисс
двухкоординатноrо самописца. С помощью описанных устройств
можно осуществить запись спектров, линейных в длинах волн
или в волновых числах\ как с призменным, так и с решеточным
монохрома торами. .
246
r ЛАВА IIt
АППАРАТУРА И МЕТОДЫ ЭКСПЕРИМЕНТА
247
Л. ИЗМЕРЕНИЕ KBAHTOBOrO ВЫХОДА ФЛУОРЕСЦЕНЦИИ
1. Абсолютный квантовый выход флуоресценции
Для прямоrо определения выхода флуоресценции необходимо
сравнить скорость поrлощения возбуждающеrо светп с полноЙ
скоростью испускания флуоресценции при всех длинах волн и
во всех направлениях. В принципе это просто, но на практике
это сделать довольно трудно. Прямой метод был впервые при-
менен Вавиловым [172]. Он основан на сравнении интенсивности
флуоресценции, испускаемой с передней поверхности образца,
с интенсивностью возбуждающеrо света, рассеиваемоrо полно-
стью рассеивающей матовой поверхностью. Основных TPYДHO
стей и поправочных факторов в этом методе удалось избежать
за счет помещения образца или матовой поверхности в интеrри
рущую сферу, аналоrичную описанной Форстером и Ливинrсто-
ном [173]. Трудность сравнения квантовой интенсивности возбу-
ждающеrо света с интенсивностью полихроматической флуорес-
ценции устраняется использованием в качестве детектора счет-
чика квантов (раздел 111, Д, 5), как это делали Боуэн и Соутелл
[174]. Мы не будем подробно рассматривать абсолютные методы,
поскольку они связаны с трудностями, в то время как выход
флуоресценции можно леrко определить сравнением со стандарт-
ным веществом (см. ниже). К наиболее поздним публикациям,
кроме тех,.О которых уже rоворилось, относятся статья Фёрстера
(см. список общей литературы), в которой дан обзор методов из
мерения, Мельюиша [141,175], rилмора, rибсона и Мак-Клюра
[176], а также Принrсrейма (126]. Метод, предложенный Вебером
и Тилом [142], является в некотором отношении абсолютным Me
тодом, поскольку в нем не требуется сравнения со стандартным
флуоресцирующим раствором. Он также имеет то преимуще-
ство, что применим к разбавленным растворам, в К010рЫХ эф-
фекты поrлощения малы. В этом методе интенсивность флуорес-
ценции сравнивается с интенсивностью возбуждающеrо света,
рассеиваемоrо разбавленным раствором rликоrена. Доля воз-
буждающеrо света, рассеиваемоrо раствором rликоrена, С'преде-
ляется по оптической плотности последнеrо. В основе метода
лежит дипольное Р8ссеяние раствором rликоrена, и иноrда на
практике наблюдается разброс в пределах + 5 % в рассеиваю-
щей способности растворов одинаковой оптическоЙ плотности.
Это основной источник ошибки. Принимая БО внимание эти
ошибки, авторы оценили, что квантовые выходы определены ими
с точностью 7 1 0%. Это, вероятно, лучше, чем точность друrих
RБсолютныIx методов. Ниже (см. табл. 25) приведенЬ! некоторые
данные из работ Вебера и Тила, а также данные друrих авто-
ров с использованием абсолютнЫХ и относительных методов.
2. Определение относительных квантовых выходов
флуоресценции
Определение относительных квантовых Выходов флуоресцен-
ции двух веществ в растворе при комнатной температуре являет-
ся довольно простой операцией [15 . Используя современные
спектрофлуориметры высокой чувствительности, можно работать
с очень разбавленными растворами, коrда избыточным поrло
щением Бозбуждаюшеrо cBeT1;I и самопоrлощением флуоресц н-
ции можно пренебречь. При этих условиях полная скорость ис-
пускания флуоресценции пропорциональна произведению lo8clepf
[см. уравнение (21 )]. Площадь под исправленным спектром флу-
оресценции также пропорЦ!юнальна полной скорости испускания
флуоресценции (см. раздел 111, К, 3), и, следовательно, если из-
мерять спектры флуоресценции двух растворов при таком же
r-еометричееком расположении (в одном и том же растворителе)
и одинаковой интенсивности возбуждающеrо света, отношение
интенсивностей равно
!i. == Q2 == Площадь 2 == /oe2 c 2 l ifJ2 == ( ..Р1. ) D2 . (247)
Р 1 Q( Площадь 1 /oe(c(lifJl ifJl Dl
Если известен абсолютный квантовый выход флуоресценции
одноrо из веществ epl, леrко можно вычислить квантовый выход
флуоресценции друrоrо вещества. Пр?ктически записыв::!ют оба
неисправленных спектра в разных опытах и исправляют их, как
описано в разделе 111, К, 3. Затем измеряют площади под испра-
вленными спектрами и для каждоrо вещества вычисляют отно-
шение площади исправленноrо спектра к высоте неисправленноrо
ника в одних и тех же единицах (например, в делениях шкалы
самописца). Затем по возможности точнее определяют интенсив-
ности флуоресценции в максимумах спектров. Умножая отноше-
ние интенсивностей пиков на ранее определенное отношение фак-
торов, получают отношение P2/Fl, которое подставляют в урав-
нение (247).
Отношение интенсивностей флуоресценции, измеренных при-
бором (F 2 /F l ), равно отношению абсолютных скоростей испу-
скания флуоресценции двух растворов (Q2/Ql) только в том слу-
чае, если rеометрическое расположение образца и оптических
деталей одинаково для обоих измерений. Изменение показателя
преломления (п) раствора приводит к изменению уrлов, под
которыми лучи покидают rраницу плоскость кюветы воздух
[184]. Так, если два сравниваемых вещества растворены в раз-
ных растворителях, то наблюдаемые интенсивности флуоресцен-
ции нужно умножить на п 2 . При использовании бисульфата хи-
нина в водной 0,1 н. серной кислоте в качестве стандартноrо
вещества отношение п 2 (растворитель)/п 2 (вода) соответствует I1Q-
nравке 27% для бензола и 515% для ЭТllНО,Jlf!,
248
rЛАВА 111
Аt1ПАРДТ.,.РД и МЕ10ДЬ! ЭКСПЕРИМЕнТА
49
3. Меры предосторожности
При измерении относительных выходов флуоресценции необ
ходимо избеrать ошибок за счет эффектов BHYTpeHHero фильтра,
немонохроматичности возбуждающеrо света, флуоресценции
кювет, тушения кислородом и фоторазложения. Ошпбки, обу
словленные первыми двумя факторами, в принципе леrко yCTpa
нимы, но на практике на них часто не обращают внимания.
Уравнение (21) применимо лищь в том случае, если доля воз-
буждающеrо света, поrлощаемая раствором, пренебрежимо
мала. Оптическая плотность 0,01 (см. раздел III, З, 2) будет да-
вать ошибку 2,3% в ИнтенсИвности наблюдаемой флуоресцен-
ции. Поэтому ПО возможности оптическая плотность не должна
превыщать этой величины. Если выход флуоресценции и чув-
ствительность прибора малы и приходится использовать боль-
шие оптические плотности, необходимо вводить поправку на по
rлощение возбуждающеrо света (раздел III, З, 2) или, что
лучще, подбирать одинаковые оптичесКие плотности двух рас-
творов. Оптическая плотность не должна превышать 0,4 на
1 см, еоrи используется кювета толщиной 1 см, а свет отби-
рается из ее центра (т. е. эффективная ОПТИческая плотность
равна 0,2). Однако при современных чувствительных приборах
такие оптичрские плотности приходится использовать rедко.
При работе -с разбавленными растворами необходима осто-
рожность при определении оптической плотности для подста-
новки в уравнечие (247). Для получения достаточно надежных
результатов с растворами, имеющими оптическую плотность 0,01
на 1 см, следует использовать кювету толщиной 10 С\1. Надо
быть уверенным, что растворы не содержат следов мути ИJlИ
взвешенных пылинок, иначе возможны значительные ошибки при
определении оптической плотности в слое раствора толщиной
10 см. С друrой стороны, оптическую плотность на 1 см можно
вычислить из измерений более концентрированных растворов,
но при этом следует убедиться в том, что выполняется закон
Бера (измерить ряд растворов различной концентрации).
. Если спектры поrлощения и флуоресценции заметно перекры
ваются, то следует избеrать ошибок за счет самопоrлощения
флуоресценции (см. раздел III, З, 2). Наиболее прОстой способ
ИСПОЛЬЗОБание достаточно разбавленных растворов, чтобы caMO
поrлощением можно БЫJIО пренебречь. Если, однако, надо про
Е'JДИТЬ измерения с более концентрированными растворами, то
следует определить истинную форму спектра флуоресценции,
измеряя флуоресценцию более разбавленноrо раствора. Таким
образом можно установить соотношение между площадью ис-
йравленнаrо спектра и интенсивностью при длине волны Л вне
оБД\lСТI1 самопоrлощения. С помощью 3T9r9 сооrношеНИ51 мgжнg
определить исправленную площадь испускания в более KOHцeH
трированном раст.воре, измеряя интенсивность ФЛУОресценции
нослеДнеr о при тои же длине волны Л. Такое измереНИе, однако,
не ИСКЛIOЧ ает увеличения испускания за счет nor лощения света
флуоресценции в области перекрывания.
Большие ошибки при определен.ии выхода флуоресценции
MorYT возникать, если возбуждающии свет не будет монохрома-
тическим. Например, ртутная линия 313 нм слабо поrлощается
антраценом, а ртутная линия 254 нм поrлощается в 100 раз силь
нее. Таким образом, если линия 313 нм выделяется фильтром,
который пропускает 1 % линии 254 нм, наблюдаемая интенсив
ность флуоресценции будет почти в 2 раза больше той, котора,я
наблюдалась бы, если для возбуждения использовалась чистая
линия 313 нм. Так как сравниваемые вещества не всеrда имеют
одинаковую разницу в поrлощении двух JiИНИЙ, в измеряемое
отношение выходов флуоресценции можно внести существенную
ош.ибку. Следует отметить, что даже если для выделения PTYT
нои .'IИНИИ используется монохроматор, в прошедшем через Hero
Свете может находиться большая доля рассеянноrо света неже
латеJrьных длин волн. Поэтому следует проверЯТЬ f чистоту воз
буждающеrо света. Это можно сделать, определяя спектральное
распределение света после отражения от поверхности окИси Mar-
ния Или (проще, но менее точно) наполняя кювету слеrка мут-
ным, но прозрачным раствором и измеряя спектр рассеянноrо
света.
Значительные ошибки при измерении оптической плотности
MorYT возникать, если спектр поrлощения в исследуемой оБJIа
сти Довольно крутой. Большинство ртутных «линий» состоит из
ряда тесно расположенных линий или уширенной линии, если
используется лампа BbIcoKoro давления. Свет, выделяемый моно-
хроматором из излучения КСеноновой лампы, обычно содержит
даже еще более широкие полосы. Поэтому, если спектр поrло
щения очень крутой, следует измерять оптическую плотность
растВора тем же пучком света, который используетСя для возбу'
ждения флуоресценции. Необходимо, однако, отметить, что. эта
процедура не исправляет полностью немонохроматичность воз
буждающеrо света. В час,ТНОСТИ, не вводится поправка На при-
Сутствие небольшой доли света с сильно отличающейся длиной
волны, для которой коэффициент поrлощения во MHoro раз
больше, как в случае с антраценом, описанном выше. Из за
трудности получения точных значеЮ-tй ПОI'лощения для полихро-
матическоrо сВета при измерении выходов флуоресценции ртут-
ные лампы используются чаще ксеноновых.
Если Проводятся измерения флуоресценции очень разбавлен-
ных растворов и выход флуоресценции мал, существенный вклад
в общее измеряемое испускание вносит флуоресценция кюветы
50
t ЛАвА Itt
и растворителя. В rл. V подробно обсуждены факторы, связан
ные с этим. Они включают влияние ПРИМЕсеЙ в растворителе,
явление Рамана, рассеянный возбуждающий свет, флуоресцен
цию кЮветы и т. д. Всеrда следует проверять флуоресценцию
ЧИСТОI'О растворителя при тех же условиях, в которых измеряет-
ся и флуоресценция caMoro раствора. Если она значительна,
получаемый спектр следует вычитать из спектра раствора до ero
исправления.
Для веществ, имеющих относительно долrоживущую флуо-
ресценцию, существенное значение может иметь тушение рас-
творенным воздухом. Воздух обычно удаляют, пропуская перед
измерением через раствор ток азота.
Таблица 25
I(вантовые выходы флуоре ценции в pa TBope (20 250 С)
4. Стандартные флуоресцирующие вещества
Один из наиболее широко используемых стандартных рас-
творов это раствор бисульфата хинина в разбавленной сер-
ной кислоте. Ero используют как стандарт сравнения для про-
верки чувствите.rrьности спектрофлуориметра (раздел III, Ж, 1),
как стандарт для определения чувствительности прибора (раз
дел V, Б, 2), как стандарт для определения кривой спектраль-
ной чувствительности в коротковолновой области видимоrо
спектра (раздел III, К, 3) и как стандарт для определения вы-
хода фЛУОp.€сценции (см. ниже). Исправленный спектр флуо
. ресценции (см. рис. 2) и абсолютный квантовЫй выход флуорес-
ценции в 1 н. серной кислоте измерил Мельюиш [162, 175], и
оказалось, что <{вантовый выход равен 0,508 при концентрации
5. 10 3 М С константой самотушения 14,5, соответствующей
квано;овому выходу при бесконечном разбавлении, равному
0,546 при 250 С или 0,553 при 200 С. Последняя величина спра-
ведлива до концентрации приБJ1Изительно 10 3 М. Стандартный
бисульфат хинина (молекулярный вес 548,6) лучше Bcero rOTo-
вить мноrократной перекристаллизацией соли из воды. Он кри-
сталлизуется с семью молекулами воды, которую удаляют, вы-
сушивая образец в вакууме над силикаrелем. Безводная соль
rиrроскопична. Семиводный rидрат окрашен.
В табл. 25 приведены KBaHT::JBbIe выходы флуоресценции
ряда веществ в разных растворителях. Некоторые из этих ве-
ществ можно использовать вместо бисульфата хинина в каче-
стве G.таf-lдартноrо вещества. Довольно доступным является ан-
трацен, который можно леrко очистить зонной плавкой. Паркер
и Рис [158] исследовали некоторые друrие вещества в качестве
стандартов 'для флуоресцентных измерений. Щелочные рас-
творы эозина непрИrоднЫ из-за их быстроrо разложения. Силь-
hощелочные растворы флуоресцеина разлаrаются медленно, а
слабощелочные растворы (рН 9,6 в карбонат-бикарбонатном
Дли НЗ
волны Лнтерз
Вещество Р зстворитель Метод возбужде' 'f'f
НИН, турз
нм
Аценафтен Эт ан ол Аз (0,30) 313 0,39 104
Циклоrексан ДФА (1,0) 303 0,60 177
Акридиновый Этанол Аз (0,30) 366 0,46 36
оранжевый
с НС1
Антрацен Бензол Абсолютн. 366 0,26 175
» » 366 0,29 142
» Х (0,55) 366 0,24 103
Этанол Абсолютн. 366 0,27 175
» » 254 0,30 142
» Х (0,55) 366 0,30 103
» Х (0,55) 366 0,30 158
[ексан Абсолютн. 254 0,31 142
» Х (0,55) 366 0,29 103
Циклоrексан ДФА (1,0) 254 0,36 177
АнтраНIJловая Бензол Абсолютн. 366 0,58 175
кислота Этанол » 366 0,59 175
1,2 Бензантрацен » Аз (0,30) 366 0,20 36
Бензол » Аз (0,30) 248 0,04 160, 161
Циклоrексан ДФА (1,0) 254 0,07 177
Бенз (а) пирен Этянол Аз (0,30) 366 0,42 36
Хлорофилл а » Абсолютн. 644 0,23 142
Метанол » 644 0,23 142
» » 0,24 173
Эфир » 644 0,32 142
» » 0,24 173
Хлорофилл Ь Этанол » 644 0,10 142
Метанол » 644 0,10 142
» » 0,06 173
Эфир » 644 0,12 142
» » 0,11 173
Хризен Этанол Аз (0,30) 313 0,17 104
Циклоrексан ДФА (1,0) 313 0,14 177
9, 10 Диметил- Этанол Аз (0,30) 366 0,89 179
антрацен
9, 10 ДифеНИk Бензол Абсолютн. 366 0,84 175
антрацен » Х (0,55) 366 0,81 103
» Аз (0,24) 366 0,80 178
Этанол Абсолютн. 366 0,81 175
» Х (0,55) 366 0,76 103
» Аз (0,29) 366 1,0 23
» Аз (0,30) 366 0,89 179
Эозин Вода Абсолютн. 366 0,16 173
Водный NaOH » 366 0,19 142
То же РБ (0,73) 467 0,23 158
» » РБ (0,73) 492 0,21 158
» » РБ (0,73) 366 0,23 158
АППАРАТУРА И МЕТОДЫ ЭКСПЕРИМЕНТА
253
;
tJ родолженuе табл. 25
Длина
ВОЛНЫ Лнтера-
Вещество Растворитель Метод возБУжде_ Фf
ИИЯ; тура
нм
Рубрен н fептан. Абсолютн. 436 1.02 173
Тионин 0,1 н. H 2 S0 4 РБ (0,73) 546 0,02 158
Толуол [ексан 254 0,23 183
Циклоrексан ДФА (1,0) 265 0,17 177
Трифенилен Этанол Аз (0,30) 313 0,09 104
Циклоrексан ДФА (1,0) 265 0,08 177
п родолженuе тсЮл. 25
.
Длнна
ВОЛНЫ Фf Литера.
Вещество Р астворнтель Меtод возбужде тура
НИН,
нМ
.
Флуорантен ЭтаНОJl Аа (0,30) 366 0,21 36
Флуорен » Абсолютн. 254 0,54 142
rексаи » 254 0,54 142
Циклоrексан ДФА (I,о) 265 0,80 117
Флуоресцеин ВОДlШЙ N аОН Абсолютн. 366 0,92 142
То же » 436 0,79 173
» » » 0,84 172
» » » 0,85 180
» » » 0,85 181
» » РБ (0,73) 467 или 0,85 158
492
I Метоксинаф Этанол Аа (0,30) 313 0,53 104
талин 1,01 142
N -Метилакриди Вода Абсолютн. 366.
нийхлорид Аь (0,29) 366 0,24 23
2 Метилантрацен Этанол
9-Метилантрацен » Аа (0,30) 366 0,33 179
» Аь (0,29) 366 0,38 23
Циклоrексан ДФА (1,0) 254 0,35 177
Нафталин Этанол Абсолютн. 254 0,12 142
» Аа (0;30) 313 0,21 104
. [ексан Абсолютн. 254 0,10 142
Циклоrексан ДФА (1,0) 265 0,23 177
2-Нафтиламин Бензол Абсолютн. зе6 0,50 175
Перилен » » 366 0,89 175
» 0,98 182
Этанол Абсолютн. 366 0,87 175
Циклоrексан ДФА (1.,0) 254 0,94 117
Фенантрен Этанол Абсолютн. 254 0,10 142
» Аз (0,30) 313 0,13 104
Фенол » Аа (0,30) 248 0,16 160, 1
Вода Абсолютн. 254 0,22 142
Циклоrексан ДФА (1,0) 265 0,08 177
9 Фенилантрацен Этанол Аа (0,30) 366 0,49 179
» Аь (0,29) 366 0,52 23
Изопропанол Х (0,55) 366 0,46 103
Циклоrексан ДФА (1,0) 365 0,49 177
Профлавина Этанол Аа (0,30) 366 0,40 36
хлорrидрg.т Аа (0,30) 313 0,72 104
f1ирен »
Uиклоrексан ДФА (1,0) 313 0,32 177
Х;;нина бисуль 1,0 н. H 2 S0 4 Абсолютн. 366 0,55 175
фат <" 535 0,97 142
Родамин Б Этанол »
» Х (0,55) 366 0,73 158
I
При м е ч а н и я, Значения, прнведенные в столбце 3, относятся к следующим
c:rандартным растворам: Аа антрацен в этан оле. Аь антрацен в бензоле, ДФА 9,lО дн-
фенилантрацен в циклоrексане, Х бисульфат ХИНина в разбавленной H2S04. РБ рода-
мин Б в этаНQле,
61
буфере) более устойчивы. Однако поrлощение при 366 нм дo
вольно слабое, так как следы примесей, поrлощающих в этой
области, MorYT привести к большим ошибкам: Родамин Б в
спирте устойчив и довольно сильно поrлощает при 366 нм и
слабее при 436 нм.
Относительные квантовые выходы флуоресценции можно оп-
ределить более точно, чем абсолютные величины, и, таким об
разом, если известны относительные значения, их можно кор-
релировать с извеСТНi?IМИ абсолютными значениями и в конце
концов исправлять последние, rде возможно. Особенно необхо
димо исправлять абсолютные значения KBaHToBoro выхода в
случае, если вещество имеет кажущийся выход флуоресценции
(измеренный по имеющемуся стандарту) значительно больше
единицы. Хотя значения, измеренные для .некоторых веществ
при тех же условиях, сильно варьируют (табл. 25), маловероят-
но, что среднее значение для большинства измеренных соедине-
ний (например, бисульфата хинина Или антрацена) имеет
ошибку более 1 О %. Максимальное значение KBaHToBoro выхода
флуоресценции имеют 9,10-дифенилантрацен (O,76 1,O), щелоч-
ной раствор флуоресцеина (O,79 O,92) и перилен (O,87 O,98).
Косвенным подтверждением таких высоких значений служат
низкие выходы образования триплетов (см. разделыIV, А, 4 6).
Например, низкий выход образования триплетов перилена соот-
ветствует . ero высокому квантовому выходу флуоресценции.
М. ИЗМЕРЕНИЕ ВРЕМЕНИ ЖИЗНИ ФЛУОРЕСЦЕНЦИИ
Имеется два типа приборов для прямоrо измерения скоро-
стей затухания флуоресценции фазовые и импульснЫе флуо-
рометры. Описаны разнообразные приборы обоих ТhПОВ. Мы
.
254
r ЛАВА III
AnnAPAt 'PA и МЕtоды ЭКСПЕРИМЕlitА
255
рассМоТриМ здесь принципы методов и укажем несколько ссы-
лок, чтобы в случае необходимости можно было ознакомиться
более подробно.
оптическиМ эффектом действует сильное высокочастотное поле.
В дальнейшем для модуляции света стали использовать явление
дифракции света на ультраЗВУКОВbIХ стоячих волнах в жидкости
(образующихся с помощью кристалла кварца); на эту своеоб-
разную дифракционную решетку падает пучок возбуждающеrо
света постоянной интенсивности [186, 187, 189, 190]. В более
простом методе [185] используется разрядная высокочастотная
трубка, в которой непосредственно получается модулированный
свет. Более удобный метод это применение водородной лам-
пы, питаемой модулированным по току источником [191, 193].
1. ФаЗО8ые флуорометры
В фазовых флуорометрах флуоресценция возбуждается с по-
мощью пучка света, модулированноrо высокой частотой. Фаза,
или степень модуляции., флуоресценции сравнивается с фазой
возбуждающеrосвета. Для флуоресценции, затухающей экспо
ненциа;?ьно со временем жизни Т, сдвиr фаз 1; между флуорес-
ценциеи и возбуждающим светом определяется следующим вы-
ражением:
ФТ ==== tg 6,
(248)
2. Импульсные флуорометры
Импульсные. флуорометры это, по видимому, простейшие
приборы для определения времени жизни флуоресценции. Об
разец освещается источником света, дающим вспышку, длитель-
ность которой меньше определяемоrо времени жизни, Затуха
иие флуоресценции реrистрируется с помощью осциллоrрафа.
Принцип измерения аналоrичен определению времен жизни фос-
форесценции и замедленной флуоресценции в миллисекундной
области, ХОТ,я, конечно, при частотах, соответствующих CKOpO
стям затухания флуоресценции, невозможно механическим спо-
собом создавать импульсы возбуждающеrо света. Для этой
цели используются два метода. В первом фотоумножитель ра-
ботает в импульсном режиме и имеет высокую чувствитеЛЬНQСТЬ
в течение времени в несколько раз больше определяемоrо вре-
мени жизни; сиrнал фотоумножителя реrистрируется осцилло-
rрафом и фотоrрафируется [194]. Обычно для получения интен-
сивности, достаточной для фотоrрафической реrистрации, необ-
ходимо повторять эту операцию несколько тысяч раз. Биркс,
К:инr и Мунро [195] использовали стробирующий осциллоrраф
и записывали получающиеся кривые на самописец. В друrом
методе фотоумножитель работает в импульсном режиме и
включается на период времени меньше определяемоrо времени
жизни. Импульсный источник и фотоумножитель включаются
с частотой повторения весколько тысяч в секунду, но с некото- '
рой задержкой. К:ривая затухания флуоресценции определяется
путем изменения задержки между возбуждением и реrистра-
цией. Сиrнал с фотоумножителя после усиления реrистрируется
на самописце как функция времени задержкИ [196, 197].
Применяемые в этом методе источники света должны иметь
длительность вспышки меньше измеряемой длительности затуха-
ния флуоресценции. Для этоrо использовали водородные им-
пульсные лампы [193, 195, 197] и электрический разряд в воздухе
[198]. Позже будут описаны некоторые пр!lменения непосред.
ственНо измеряемоrо затухания флуоресценции. .
rде (i) уrловая скорость модуляции [185, 186]. Сиrналы от ис-
точника света и флуоресцирующеrо образца подаются на схему
которая реrистрирует определенный сдвиr по фазе между ними:
Между двумя сиrналами существует задержка, служащая ну-
лем реrистрирующей схемЫ. Например, Бейли и Роллефсон ис-
пользовали схему, которая определяет разность двух сиrналов,
и, таким образом, коrда два выходных сиrнала находятся в
фазе, схема имеет минимальный сиrнал на выходе. ИСПОЛЬЗО-
вались Т!lкже друrие схемы [185, 187 189].
Второй метод измерения 1; основан на определении степени
модуляции двух сиrналов [191]. Очевидно, что чем больше
время жизни флуоресценции, тем меньше степень ее модуляции.
Степень модуляции в пучке возбуждаюшеrо евета (тв) и в пучке
флуоресценции (mj) связаны с (; соотношением
mf/m s cos 6'
(249)
Степень одуляции n;f. или ms определяется путем измерения
ОТНошении переменнои lа И постоянной id компонент в исследуе-
мом пучке:
т:::::: ia/id.
(250)
Для экспоненциальноrо затухания величины 1;, полученные
двумя методами, хорошо совпадают. РасХ'ождение vказывает на
неэкспоненциальное затухание. Одним из OCHOBHbIX HeДOCTaT
ков фазовоrо флуорометра является трудность интерпретации
результатов при неэкепонеНl',иальном затухании хотя Бирке
Дайсон и Мунро [192] использовали ero и в этом' случае. '
В первых фазовых флуорометрах для модуляции cBeToBoro
пучка применяли поляризованный возбуждающий свет и эф-
фект К:ерра. В этом случае на жидкость или кристалл с электро..
256
r ЛАВА IIt
АППАРАТУРА И МЕТОДЫ ЭКСПЕРИМЕНТА
251
3. Косвенный метод
lD* -+ lQ ----+ lD + lQ*
(251 )
Н. ИЗМЕРЕНИЕ долrОЖИВУЩЕй ЛЮМИНЕСUЕНЦИИ
ПОЧТИ все при боры, используемые для измерения обычноЙ
флуоресценции, применимы для изучения долrоживущей люмине-
сценции. l\\Ы обсудим здесь лишь некоторые мадификации при-
боров, необходимые для измерения долrОживущей люминесцен-
ции, и некоторые дополнительные факторы, которые следует
принимать во внимание.
Время жизни флуоресценции можна косвенна определить из
опытав по тушению флуаресценции.
В реакции
перенос энерrии мажет праисхадить как путем дальнеrо дипаJIЬ
дипольноrо взаимадействия. (см. раздел II, Б, 6), так и путем
сталкновений между реаrентами. Для акцепторав с малым Ka
эффициентам экстинкции, таких, как диацетил, вклад дальнеrо
взаимадействия ничтожен [199], и таrда, измеряя канстанту
Штерна Фольмера для тушения в приведенной выше реакции
[уравнение (75)], мажно определить величину kQт;о. Частата
встреч в растворе между сферическими молекулами с одинака
выми радиусами r выражается так [181]:
k 3RТ [ 1 + 2r ] (252)
с 30001) ('tOD)'/2 .
Каэффициент диффузии D равен
D === kТj(3лУ)r), (253)
rде у) вязкасть растворителя.
Перв й член уравнения (252) саатветствует стацианарнаму
решению уравнения диффузии [т. е. .она равноценно уравнению
(80)]. Второй, или перехадный, член имеет малае значение для
жидких растваров при камнатнай температуре. Дюбуа и Ван Xe
мерт [200] измерили kQт;о для f:афталина, бензала и 12 алкилбен-
залав при тушении диацетилам, а затем вычислили То из абыч
Hara уравнения диффузии и из уравнения (252), т. е. включая
перехадный член. Уравнение (252) дало нескалька меньшие зна-
чения, соrласующиеся са значениями то, полученными на фаза-
вом флуарометре Иванавой и сотр. [201]. Поэтаму, исполuьзуя
диацетил и принимая, что тушение лимитируется диффузиеи, из
констант Штерна Фальмера можна определить время жизни
флуоресценции. Этат метод в аппаратурнам атнашении проще,
чем измерения с памащью .фазавоrа и импульсноrа флуарамет
рав *.
* Эйзенталь [Eiseпthal К. В., Cllerr... Phys. Letters, 6, 155 (1970)] описал
интересн:'ю методику KocBeHHoro измерения очень коротких времен жнзни
возбужденных состояний ( 10 11 с). Импульс поляризованноrо света от не-
одимовоrо лазера с удвоением частоты (длина волны 5300 А) частично по-
rлощается образцом, и последний обедняется невозбужденными молекулами
с определенной поляризацией (они переходят в возбужденное состояние).
Прошедший свет посЛе отражения от .слюдяной плас::инки возвр.ащается к
образцу, но уже с друrой поляризациеи и с некоторои адержкои (которая
определяется расстоянием между образцом и пластинкои) . В эксперименте
1. Сnектрофосфорuметр
Для разделения обычноЙ флуаресценции и фасфоресценции
или замедленной флуоресценции необходима периодически пре-
рывать пучок возбуждающеrо света и реrистрировать испускание
только в течение TeMHaBaro периода, т. е. коrда караткаживущая
флуаресценция .оказывается палнастыо затухшей. Первый фас-
фораскап, сконструированный Беккерелем [202], састоял из двух
круrлых дисков, помещенных на .одной аси. Диски имели aтвep
стия, вырезанные па .окружности, причем отверстия первоrа
диска не совпадали с .отверстиями BTaparo диска. Образец паме
щали между дисками, и при вращении дискав ан освещался
прерывистым вазбуждающим светом, прохадящим через .отвер-
стия в пер вам диске, а испускание реrистрировалось во время
TeMHoBaro периада через .отверстия во втаром диске. Льюис и
Каша [30] памещали .образец в полый цилиндрическиЙ стакан,
имеющиЙ вырезы в баковой стенке, так что при вращении ста-
кана BOKpyr ero оси образец освещался возбуждающим светом,
проходящим через вырез, и люминесценция реrистрировалась
через тот же самый вырез, Аналоrичнае расположение исполь-
зуется в некоторых продажных спектрофосфориметрах. При
обоих этих расположениях мажна измерить толька далrаживу-
щее испускание, для измерения .общеЙ люминесценции вращаю-
щиеся диски или стаканы нада удалить. Бауэр и Бачинский [18]
испальзавали друrое распалажение, састаящее из адноrа диска
с прарезями, прикрепленнаrо к цилиндрическому стакану, имею-
щему две прорези, расположенные под уrлом 1800 одна к друrой.
При вращении диска и стакана образец асвещался прерывистым
светам через отверстие в диске, а люминесценцию наблюдали
через прарези в ЦИлиндре. Можно подобрать отнасительное рас-
полажение отверстий в диске так, чтобы они или совпадали, или
находились в противафазе с прорезями цилиндра. В этом случае
измеряется зависимость от времени задержки анизотропии поrлощения оrраз
цом отраженноrо импульса. Скорость исчезновенИЯ анизотропии в маЛОВЯ"'I{ИХ
растворах определяется вращением молекул, а в вязких временем жизни
возбужденных Состояний. Этим методом 1jBTOp ИСС.1едовал перенос энерrии
В растворах родамина 6)1\ В rлицерине. Прuм. ред.
9 Зик. 1281
258
rЛАВА 111
АППАРАТУРА И МЕТОДЫ ЭКСПЕРИМЕНТА
259
фотоумножитель реrистрирует либо сумму короткоживущей и
долrоживущей люминесценции, либо только долrоживущую лю-
минесценцию.
Все Эти приспособления в некоторой степени неудобны, так
как они оrраничивают выбор rеометрическоrо расположения
прибора и размер кюветноrо отделения. Оrраничения обусловле
ны тем, что необходимо иметь механическую связь между преры-
вателем пучка возбуждающеrо света и прерывателем пучка
12
Для измерения интенсивности и спектра долrоживущей лю-
минесценции удобно Использовать частоту прерывания 800 rц.
Такую частоту можно получить с ПОмощью диска, имеющеrо
16 прорезей и вращаемоrо мотором со скоростью 3000 об/мин.
Чтобы избежать утечки света на ребрах прорезеЙ диска преры
вателя В р емя освещения на обоих дисках выбирается несколько
,
меньше, чем темно вое время, причем наиоолее Оптимальным
является вариант, коrда возбуждающий свет пропускается в те-
чение 1/4 периода, а свет люминесценции в течение 1/3 перИода.
+
I
...
, M z
а
Первый
прерыватеАЬ
+
t D, в r::т+ "L
1 1 t --- _I
Q: D,
,
}/):r.G Р,
F
Рис. 103. Схема спектрофосфориметра [19].
L источник. света; М" М, монохроматоры; DI' D, дискн прерывателей, вращаемых
сиихронными моторами; В пластннка из двуокисн кремння для рассекания пучка света;
F кювета толшнной 0,5 мм нз двуокиси кремния, содержащая флуоресцирующий ра'
створ; Р 1 управляющий фотоумиожнтель; р, фотоумножитель флуоресценцнн фосфо'
ресценции; Q сосуд Дыоара из плавленоrо кварца с кюветой для образца.
__........J
t з б
, i Второй
I I I I
I I I I прерыватеАЬ
L J l J (Не 8 фазе)
t J
: r '
I I I I
I I 1:
J [ ] L
в
Второй
прерыватеАЬ
(в фазе)
Рис. 104. Соотношение между фазой прерывателя и интенсивностью фос
форесценции. Сплошная линия соответствует интенсивности фосфоресцен-
ции [203].
люминесценции. Паркер устранил эту трудность, используя два
диска, вращаемые отдельными синхронными моторами [19,203].
Сдвиr по ф<iзе между двумя дисками остается постоянным за
счет Toro, что оба мотора питаются от одноrо источника пере-
! J\!eHHoro тока с частотой 50 rц. Поворачивая корпус одноrо из
моторов BOKpyr оси вращения, устанавливают прерЫватели в
.. :.азе или противофазе, не останавливая их, и сразу же последо-
вательно реrистрируют долrоживущую люминесценцию и сумму
. обычной и долrоживущей люминесценции. Используя ЭТО при-
способление, МОжно леrко преобразовывать спектрофлуориметр
в спектрофосфориметр; для этоrо лишь нужно установить один
прерыватель у выходной щели монохроматора возбуждения и
второй у входноЙ щели анаЛИЗИРУlOщеrо монохроматора
(рис. 103). Это расположение имеет то преимущество, что прибор
можно использовать как спектрофлуориметр, установив преры-
ватели в фазе.
Схема работы этих прерывателей показана на рис. 104. Верхняя
диаrрамма а представляет в идеальном виде фазу первоrо пре-
рывателя, т. е. пунктирная кривая изображает периодическое
изменение интенсивности возбуждающеrо света, падаlOщеrо на
образец. Пунктирная кривая характеризует также изменение ин-
тенсивности обычной флуоресценции, так как она появляется .11
затухает за время, пренебрежимо малое по сравнению с перио
дом прерывания. Сплошная линия на диаrрамме а показыв;
возрастание и затухание долrоживущеЙ люминесценции во врем
cBeToBoro и TeMHoBoro периодов. На диаrрамме б показано ПОJIО.
жение BToporo прерывателя в противофазе, в этом случае фото.
умножитель реrистрирует только долrоживущуlO люминесценцию
за период, соответствующий средней точке TeMHoBoro периода.
На диаrрамме в изображено положение BToporo прерывателя
в фазе. В этом случае фотоумножитель реrистрирует как обыч-
ную флуоресценцию за время t 1 , так и долrоживущую люминес-
ценцию за время t з .
9*
260
rЛАВА IJ!
АППАРАТУРА И МЕТОДЫ ЭКСПЕРИМЕНТА
261
'oi'
E
UCI..
:Z:I::
"1.>
Е::
:z:"
::..::,
:z:::t
'IJ::t
Е&
Q:Z:
о::.
:z:
6
А
прерывателей и характеризует только фосфоресценцию. Разность
межДУ кривыми А и Б даст спектр быстрой флуоресценции. Для
определения относительных интенсивностей фосфоресценции и
флуоресценции значения на кривой Б нужно разделить на коэф-
фициент фосфориметра (0,333) и лишь после этоrо сравнивать
их со спектром флуоресценции.
Если время жизни долrоживущей люминесценции имеет тот
же порядок, что и время TeMHoBoro и cBeToBoro периодов, долrо
живущая люминесценция будет затухать в течение TeMHoBoro
периода до Toro, как будет зареrистрирована фотоумножит;лем,
и для получения полной скорости испускания долrоживущеи лю
минесценции в цикле наблюдаемую интенсивн?сть надо раз-
делить на коэффициент фосфориметра, меньшии 13/ l c. Коэффи-
циент фосфориметра, или отношение наблюдаемой интенсивuности
долrоживущей люминесценции противофазе (РО) к полнои CKO
рости испускания долrоживущеи люминесценции (Р), можно BЫ
числить, сделав два допущения. Первое допущение состоит
в том, что долrоживущая люминесценция затухает экспоненци
ально, а второе что время прерывания возбуждающеrо света
первым прерывателем мало по сравнению с полным временем.
цикла (т. е. фронт нарастания !fнтеНСИВ!fОСТИ возбуждающеrо
света крутой). При не очень узко и входнои щели монохроматора
возбуждения второе допущение выполняется лишь приближенно.
При этих двух допущениях коэффициент фосфориметра выра-
жаетсЯ так *:
== [ 1 ехр ( i1/T) ] [ехр { (t2 t з )/2т} ехр { и2 + t з )/2т}),
Р { 1 1 ехр ( [с/ т ) (254)
2. Коэффициент фосфориметра
Если время жизни ДОЛI'оживущей люминесценции достаточно
велико по сравнению с 11,12 И 13 (рис. 104), то уменьшение интен
сивности за время 12 будет пренебрежимо мало и интенсивность
в течение полноrо цикла будет практически ПОстоянной. При по
ложении в противофазе фотоумножитель будет измерять долю
общей долrоживущей люминесценции, равную 13/ иl + 12) или
2,6 2,4 2,2 2,0 1,8 1,6
Всмновое чuс"rо, .мK.м 1
Рис. 105. Спектры флуоресценции и фосфоресценции феиантрена (I0 3 М)
с примесqми в смеси эфир пентан эта нол при 77 к: [203J.
А флуоресценция плюс фосфоресценция (прерыватели в Фазе); Б фосфоресценция (пре,
рыватели в противофазе), Интенсивность первой IIОЛОСЫ флуоресценции мала из-за самопо..
r."ощ ния. Возбуждение при 3.19 MKM 1 (313 нм); кварцевый аиализирующий Монохрома'
тор с фотоумножителем типа 9558Q; полуширина полосы при 2,5 MKM 1 составляет
0,019 MKM I.
13/fc, [де 'с время IIолноrо Цикла. Чтобы определить полную
CKOpOCfb испускания в цик е при 13/lc == 1/з, наблюдаемую интен-
сивность долrоживущей люминесценции нужно разделить на 1/3.
Очевидно, что интенсивность долrоживущей люминесценции при
синфазной установке прерывателеЙ будет равна ее интенсивности
при их антифазной установке, и, следовательно, интенсивность
быстрой флуоресценции можно определить по разности Получае
мых ИНТ€НСИI3ностей, зареrистрированных при двух положениях
прерывателеЙ. В качестве примера на рис. 105 приведены два
Lпектра раствора фенантрена с примесью при 77 К, время жизни
фосфоресценции фенантрена Т! 50 составляет 4,3 с. Кривая А
представляет собой спектр, измеренный при синфазном положе
нии прерывателей, и является суммой быстроЙ флуоресценции и
фосфоресценции. Кривая Б записана при антифазной установке
* Автор упускает из виду то обстоятельств?, что коэффициенты фосфори-
метра Д.1Я фосфоресценции и для замедленнои флуоресценци типа Р с;ле-
дует вычислять по-разному, поскольку они связаны раЗЛИЧ!lОИ (линейнои и
квадратичной соответственно) зависимостью с концентрациеи триплетов. [lри
этом нужно принять во внимание, что та интенсивность фосфоресценuии (или
концентрация триплетных молекул), которая достиrается к. моменту [!, также
зависит от соотношения между временем жизни и частотои прерывания. Если
Ps предельная (стационарная) интенсивноСТЬ фосфоресценции, которая по-
лучилась бы в отсутствие прерывания, а Р 1 интенсивность в момент [! (см.
рис. 104), то нетрудно получить
. l exp( i1/T) (1)
Р 1 == Р s 1 ехр ( [с/т)
При быстром прерывании (т> [ с , (!)Р! == Ps(t\/i c ), т. е. редельная ин-
тенсивность не успевает установиться и Р! представляет собои полную CKO
рость испускания Р. При медленном прерывании (т < (!, (с) Р\ == P s , т. е.
предельная интенсивность успевает установиться. В промежуточном случае
[к которому и относится формула (254) J связь между Ps (эта величина OДHO
значио определяется интенсивностыо поrлоще!lноrо света, выходом триплетов
и их временем жизни) и Р! дается формулои (1). Во всех случаях, однако,
ЦQrлощается одна 11 та же доля (t\/f c ) возбуждающеrо света. Для вычисления
262
rЛАВА II!
А11ПАРАТУРА И МЕТОДЫ ЭКСПЕРИМЕНТА
263
[де т время жизни долrоживущей люминесценции. Для 'с ==
== 1/800c, 11 == и4, 12 == 3/с/4 и 13 == 'с/3 коэффициент фосфор и-
метра РО/Р имеет слеДуЮщие значения:
Т, мс :> 5 1 0,5 0,25 0,15 0,10 0,07
РО/Р 0,333 0,316 0,271 0,165 0,070 0,022 0,005
Таким образом, для долrоживущей люминесценции с временем
жизни больше 5 мс наблюдаемая интенсивность при антифазной
установке составляет 1/3 общей скорости испускания, для вре-
мени жизни 0,25 мс она уменьшается еще в два раза, а при бо-
лее коротких временах жизни быстро уменьшается.
В большинстве случаев измерение долrоживущей люминес-
ценции с временем жизни меньше 1 мс приходится про водить
В условиях, коrда быстрая флуоресценция в несколько раз интен-
сивнее, как, например, при измерениях замедленной флуоресцен
uии в жидких растворах. Torдa интенсивность общеrо испуска
ния при ПОложении в фазе идентична интенсивности быстрой
флуоресценции. Однако есть соединения, для которых быстрая
флуоресценция в жидких растворах слаба, а фосфоресценция
относительно интенсивна. Как правило, полоса фосфоресценuии
не перекрывается с полосой флуоресценции и для получения
спектральной кривой флуоресuенции в измерениях при положе-
нии в dзе нет необходимости вводить поправку. На рис. 106
приведен один из примеров подобных спектров спектр раство-
ра нафто-l', 2', 3, 4-[1, 2, 5-селенодиазола] (друrое название
3,4-бензопиазселенол) (см. раздел У, [, 2). Это соединение имеет
слабую полосу флуоресuенщlИ с максимумом около 2,5 MKM I.
В спектре деаэрированноrо раствора появляется вторая полоса
в желтоЙ области (1, 7 MKM I), обусловленная фосфоресценцией
2,6 2.4 2,2 2.0 1,8 1.6 1,4
80Ановое ЧUСАО. .мI(M l
Рис. 106. Люминесценция 3,4-бензопиазселенола в деаэрированном цикло-
[ексане при 200 С [203].
А флуоресцеиция плюс фосфоресцеиция (прерыватели в фазе); Б фосфоресцеиция (пре'
рыватели в противофазе); возбуждение при 2,73 MKM 1 (366 нм); кварцевый анализ rующий
моиохроматор с фтоумножи-rелем типа 9558Q; !:?лущирина полосы при 2,5 мкм равна
0,024 мкм .
с временем жизни около 0,3 мс. Наблюдаемая интенсивность
этой полосы при синфазной установке больше, чем при антифаз-
ной. Отношение наблюдаемой интенсивности в фазе (P i ) к ЩI-l
тенсивности в ПрОТИВОфRзе (Ро) можно вычислить, если исполь
зовать два предположения, относящиеся к уравнению (254). По-
лучим
Pi Р
P;==P";
наб.1юдаемqй интенсивности фосфоресценции в противофазе (РО) нужно усред-
нить по полному циклу сиrнал, наблюдаемый в течение времени t з :
t,
f Р 1 ехр { и2 t з )/2т} ехр ( t/T) dt
РО == о
(2)
t c
f dt
о
llринимая во внимание уравнение (1), получим
РО т [ 1 exp( tl/T) ] (
р; == --т; 1 ехр ( tc/T) (ехр { t 2 t з )/2т} ехр { (t2 + t з )/2т)].
(3)
Уравнение (3) совпадает с уравнением (254) только в том случае, еС.1И
р == Р s (t I/t c ). Но последнее соотношение, как мы видели, относится только
к случаю cbIcTporo преРbIвания, коrда формула (254) дает коэффициент, рав-
ный 0,333. В общем же случае формула (254) оказывается неверной.
Это, впрочем, не влияет на результаты, полученные автором и приведен,
ные ИМ в данной книrе, поскольку работал он в условиях быстроrо преРbIва'
ния, а скорость поr. ощения (среднюю) измерял с рключенным преРbIвателем.
Подробное обсуждение способов определения множителя фосфориметра и
квантовых выходов фосфоресценции и замедленной флуоресценции см. Par-
Rer С. А., Chem. Phys. Letters, 6, 516 (1970); Razi Naqvi К., Chem. Phys.
Letkrs,5, 171 (1970); 6,5\8 (1970). Прuм. ред.
::!
'"
q,
::!
O;
'-'
"'
"'<:3
"'''''-
",\5
:::'"
..
0:'"
1i"-'
[ехр { из t l )/2T} ехр { (2t2 t з + t l )/2T)]
[ехр { (t2 t з )/2Т) ехр { (t2 + t з )/2т}]
(255)
3. Метод фазовых nрерыоателей и определение
потерь света на nрерывателе
Для установки реrулируемоrо прерывателя в фазе и противо-
фазе требуется СИльно флуоресцирующий раствор, не имею-
щий долrоживущей люминесценции. Для этой цели приrоден
264
tЛАВА I!t
АППАРАТУРА И МЕТОДЬ! ЭКСПЕРИМЕНТА
265
открывать щели обоих монохроматоров, не опасаясь «просачива-
ния» света.
При проверке утечки света необходимо выбирать такую длину
волны возбуждения, чтобы материал кюветы не фосфоресциро
вал. При проверке утеч-
ки в области коротких
длин волн желательно
использовать кювету из
синтетической двуокиси
кремния. Для возбужде
ния флуоресцеина светом
с длиной волны 436 нм
можно использовать пи-
рексовую КlCBeTy, если
пр именяется метод осве-
шения под прямым уrлом.
неоткачанный раствор флуоресцеина или друrоrо сильно флуо-
ресцируюшеrо соединения; в присутствии воздуха триплетное
состояние флуоресцирующеrо вещества Очень сильно потушено,
поэтому интенсивность замедленной фJ1уоресценции и фосфорес-
ценции пренебрежимо мала. При чувствительности Х 1 (см. раз
дел 111, Ж, 4) подбирают такую длину волны и ширину щелей
монохроматора флуоресценции, чтобы получить отклонение пера
самописца Почти на всю шкалу. Мотор прерывателя (оБЫ'iно
в пучке возбуждающеrо света) ПОВQрачивают до тех пор, пока
отклонение не становится максимальным. Это означает, что пре-
рыватели вращаются в фазе. Целесообразно сделать отметку
TaKoro положения мотора, чтобы можно было леrко возвращать
мотор в это первоначальное положение при дальнейшей работе.
Затем мотор поворачивают до тех пор, пока отклонение пера
самописца не станет равным нулю, после чеrо увеличивают на-
пряжение на фотоумножителе и усиление, а мотор окончательно
устанавливают в такое положение, чтобы при чувствительности
Х 1 О 000 получить минимальное отклонение. Здесь делается вто-
рая отметка, и прибор [отов к работе. Отреrулированная один
раз, установка прерывателей может оставаться неизменной в те-
чение Долrоrо времени.
Если диски прерывателя таковы, что световые периоды не-
MHoro l'>iен ше темновых (как описано в разделе 11 1, Н, 1), то при
антифазнои установке прямой пучок возбуждающеrо света
оказыва тся полностью перекрытым на время, в течение
KOToporo свет пропускается вторым прерывателем ко входной
щели анализирующеrо монохроматора. Теоретически в этом по-
ложении фотоумножитель не должен реrистрировать быстрой
флуоресценции. В действительности все же некоторое количество
быстрой флуоресценции проходит из-за MHoroKpaTHbIx отражений
внутри кожухов прерывателей, но если внутренние части этих
кожухов зачернить, количество «просочИВшеrося» света не пре-
вышает 1/200000 величины интенсивности при ПОложении в фазе.
При соблюдении мер предосторожности долю проходящеrо света
можно уменьшить до 1 0 6. Это соответствует отклонению пера
самописца на 1 деление при чувствительности Х 1 О 000 в том
случае, коrда быстрая флуоресценция, реrистрируемая при поло-
жении в фазе, отклоняет ero на 100 делений при чувствитель-
ности Х 1. Если все же отклонения несколько больше указанных
необходимо тща!ельно проверить внутренние оверхности опра:
вы прерывателеи, например поверхности ножеи щелей монохро-
маторов, и при необходимости зачернить их. Изменяя ширину
щели, можно установить, является ли БО"lьшое отклонение пера
результатом неполноrо отсекания возбуждающеrо света в тече-
ние промежутка реrистрации люминесценции. Размеры прерыва-
теля должны быть такими, чтобы была ВОзможность полностью
4. Определение
квантовоzо выхода
фосфоресценции
и замедленной
флуоресценции
2,6
ВОА110бое ЧUСАо.,Мк,М-J
2,2
2,0
1,8
........
......
'::1"')
",,0\
::!
R.
'-"
e
'g
g-
\J
:z: '"
5
:z: о
::s:z:
'"
""со
E
""u
t1)
:i:
1
; """''''''',
,
\
\
3 \
\
,
,
\
,
\
2
Выходы долrожиВУ-
щей люминесценции оп-
ределяются тем же мето-
дом, что и выходы быст-
рой флуоресценции (см.
раздел 111; JI, 2), путем
сравнения площади под
исправленным спектром
испускания с площадью
под спектром быстрой
флуоресценции стандарт-
Horo соединения. Для
получения соответствую-
щей величины площади, которую подставляют в уравнение
(247), интенсивность долrоживущей люминесценции нужно,
разумеется, разделить на коэффициент фосфориметра.
Часто соединение, имеющее долrоживущую люминесценцию,
также имеет и быструю флуоресценцию. Если выход последней
уже определен обычным способом, то выходы фосфоресценции и
замедленной флуоресценции при тех же условиях можно опре
делить, не сравнивая с друrим раствором. Отношение выхода за-
медленной флуоресценции (8) к выходу быстроЙ фJ1уоресценuии
(ер!) вычисляется просто путем сравнения интенсивнопей ОЩ{ОI'О
Рис. 107. Замедленная флуоресценция ан-
трацена (5. 10 5 М) в этаноле [46].
l быстрая флуоресценцня (искажеииая самопоrЛQ'
щеиием); 2 замедлеиная флуоресценция при чув-
ствительности в 260 раз больше, чем в первом слу
чае: 3 спектральная чувствительность прибора
(3v); полуширииа полосы анализирующеrо мони-
хроматора 0,05 MKM 1 при 2,5 MKM 1; иитеисив-
ность возбуждающеrо света приблизительно
l,4.10 S эйнштейн/(см'.с) при 2,73 MKM 1 (366 им).
266
rЛАВА 111
АППАРАТУРА И МЕТОДЫ эк.СПЕРИМЕНТА
267
Бензол 8,0 0,89 0,19 0,21
Нафталин 2,8 0,02 0,008 0,39
Антрацен 0,27
Фенантрен 4,3 0,80 0,11 0,14
Флуорен 7,1 0,14 0,07 [0,54]
Дифенил 5,1 1,4 0,25 0,17
Трифенилен 17,1 5,1 0,28 0,06
Фенол 2,6 0,93 0,37 0,40
Бензойная кислота 2,0 >10 0,27 Низкий
АцетанилиД 3,6 >10 0,05 »
4 Ни':'ро- N ЭТи.1aIIИЛИI! 0,4 >10 0,12 »
N -Ф I!Иk2 l!афтилаЛ!ин 1,3 1,7 0,44 0,26
Ацетофенон 0,008 >10 1,0 Низкий
БензофеНОIl 0,005 >10 0,71 »
Бензоин 0,018 >10 0,54 »
Бензил 0,005 >10 0,67 »
Антрахинон 0,004 > 10 0,41 »
чувствительность прибора. Определения абсолютных квантовых
выходов быстрой флуоресценции в твердых растворах при тем-
пературе жидкоrо азота являются менее точными, чем соответ-
ствующие измерения при комнатной температуре, из-за трудно-
стей, связанных с определение1\! оптической плотности, и ошибок,
вызываемых искажениями спектра или растрескиванием твердых
растворителей. Определение отношения rpp/rpJ не зависит от
этих факторов, и поэтому ero можно определить более точно.
В табл. 26 приведены некоторые значения rpp/rpJ и приблИ[кен-
ные значения rpp и rpf при 77 К. Последние были вычислены
в предположении, что относительные значения оптических плот-
ностей всех растворов при 77 К были такими Же, как и при
200 С. Предполаrалось, что флуоресценция флуорена была Ta
кой же, как и при комнатной температуре, и ее использовали
в качестве стандарта для определения выходов флуоресценции
друrих соединений.
5. Определение скорости поzлощения света
При измерениях быстрой флуоресценции и фосфоресценции
в жидких растворах не требуется точно знать скорость поrлоще-
ния возбуждающеrо света, если только определение выходов
флуоресценции не производится абсолютными методами и не
изучаются фотохимические изменения. Однако интенсивность
некоторых типов замедленной флуоресценции пропорциональна
квадрату скорости поrлощения света (т. е. квантовый выход про-
порционален первой степени скорости поrлощения света). Кажу-
щuеся выходы быстрой флуоресценции и фосфоресценции также
MorYT зависеть от интенсивности в твердых средах при низкой
температуре, rде времена жизни триплетов велики и большая
доля pacTBopeHHoro вещества может находиться во время облу-
чения в триплетном состоянии. Для проведения количественных
исследований в таких системах необходимо точно измерить ско-
рость поrлощения света растворенным веществом. Для этой цели
возбуждающий свет фокусируется на отверстие ПОДХОДЯщей
формы и размеров так, чтобы отверстие равномерно освещал ось
светом. Четкое изображение отверстия фокусируется затем на
ту часть образца, rде наблюдается люминесценция. Затем с по-
мощью ферриоксалатноrо актинометра измеряется общий поток
возбуждающеrо света, проходящий через отверстие. Измеряют
площадь изображения отверстия и вычисляют интенсивность
освещения образца (эйнштейн/см 2 ). Зная эту величину и изме-
рив оптическую ПЛОтность на 1 см при нужной длине волны,
определяют скорость поrлощения света. Необходимо УЧитывать
эффект BHYTpeHHero фильтра, используя фактор 1 O Dd (см. раз-
дел III, З, 2) для вычисления истинной интенсивности в точке,
rде реrистрируется люминесценция.
из rлавных максимумов в спектрах, которые, разумеется, иден-
тичны по форме. Реrистрируемый спектр испускания не надо ис
правлять, но следует сделать поправки на коэффициент фосфо-
риметра и различные чувствительности прибора, при которых из-
меряются два спектра. Этот метод расчета ИЛЛlOстрируется
рис. 107, который взят из статьи Паркера и Хатчарда [46] и был
первым полученным спектром замедленной флуоресценции ти-
па Р антрацена в жидком растворе. Спектры быстрой и замед-
ленной флуоресценции не исправлены и искажены самопоrло-
щением. Тем не менее их интенсивности можно сравнивать, так
как они были измерены в том же растворе при идентичных усло-
виях. Максимальные интенсивности при 2,5 MKM l составляли
90,5 деления при чувствительности, равной 1, ДЛЯ быстрой флуо-
ресценции и 66 делений при чувствитеJIЬНОСТИ 260 для замедлен-
ной флуоресценции. Время жизни замедленной флуоресценции
равнялось 3,8 мс при коэффициенте фосфориметра 0,33. Поэтому
66
8/rpf === 90,5.260.0,33 === 0,85 . 10 2. (256)
Выход фосфоресценции определяется аналоrичным образом, за
исключением Toro, что сначала исправляют спектр, а затем пло-
щадь под исправленным спектром сравнивают с площадью под
исправленным спектром быстрой флуоресценции. Как и в пре-
дыдущем случае, учитываются коэффициент фосфориметра и
Таблица 26
Приближенные значения выходов флуоресценции
и фосфоресценции при 77 К (203)
Соединение '{, с I СРр/СР, СРр СР,
268
r ЛАВА III
АППАРАТУРА И МЕТОДЫ ЭКСПЕРИМЕНТА
269
6. Измерение времени жизни долzоживущей люминесценции
Большие времена жизни можно определять на спектрофос-
фориметре по затуханию сиrнала фотоумножителя при антифаз-
ной установке прерывателей, если возбуждающий свет перекры-
вается быстрым механическим затвором. Для времен жизни
порядка 5 с и более сиrнал с фотоумножителя можно реrистри-
роВать с ПОмощью быстроrо самописца. При временах жизни
между 0,1 и 5 с сиrнал с фотоумножителя необходимо усиливать
и подавать на осциллоrраф, изображение на экране осциллоrра-
фа фотоrрафируется, или, если используется осциллоrраф с за'
поминающим устройством, кинетическую кривую интенсивности
люминесценции можно скопировать прямо с экрана. Для вре-
мен жизни меньше 0,1 с ьужно ИСПОльзовать друrие методы. Для
времен жизни в интервале 0,1 10 мс диски прерывателей с 16 от-
верстиями (при синхронном моторе с 3000 об/мин) заменяют
дисками с двумя отверстиями, имеющими световой период He
MHoro меньший, чем темновой. Пучок возбуждающеrо света пре-
рывается теперь уже с частотой 100 [ц. Сиrнал с фотоумножи-
теля подается на осциллоrраф, временная развертка KOToporo
запускается с частотой 100 [ц. При антифазной установке пре-
рывателей осциллоrраф реrистрирует повторяющиеся кривые за
тухания люминесценции, каждая кривая существует на экране
3 4 мс, в течение которых второй прерыватель открыт, и по-
этому с помощью фотоумножителя можно реrистрировать зату
хание люминесценции. При временах жизни более 10 мс интен-
сивность люминесценции не успевает достаточно затухнуть в те-
чение 4 мс и точные измерения времени жизни произвести
нельзя; в этом случае нужно использовать меньшие частоты пре-
рывания. Удобно применить синхронный мотор со сКОРОстью
вращения 1500 об/мин, диск с двумя отверстиями и коробку
скоростей, обеспечивающую частоты прерывания 50, 25 и 12,5 [ц.
Последняя позволяет измерять времена жизни до 100 мс. С дру.
rой стороны, времена жизни во всем интервале можно опреде-
лить, используя один мотор с переменной скоростью в фосфоро-
скопе с дисками или стаканчиком, но в этом случае не будет
преимуществ отдельно вращаемыУ. прерывателей и, кроме Toro,
фосфороскоп будет представлять собой отдельную установку.
Следует также упомянуть, что времена жизни во всем ука-
занном В::'Iше интервале можно измерить с помощью импульс-
Horo возбуждения способом, описанным для измерения времени
жизни быстрой флуоресценции (раздел IlI, М). Этот метод имеет
то преимущество, что можно измерять времена жизни MHoro
меньше 0,1 мс (с удачно подобранной ИМПУЛЬсной лампой) и ин-
тенсивность в большом промежутке времени после вспышки.
Впервые этот метод был использован в работе Бекстрёма и Сан-
дроса [33] при изучении фосфоресценции диацетила в растворе;
в этой работе можно найти более подробные данные.
Какой бы метод ни использовали для реrистрации долrожи-
вущей люминесценции (/D) как функции времени после выклю-
чения возбуждающеrо света, результаты с.1едует изображать
в виде зависимости От BpeMe
ни величины ln I D (рис. 108).
Прямолинейный rрафик пока-
зывает, что люминесценция за-
тухает экспоненциально, а на-
клон прямой дает время жиз
ни 1: [см. уравнение (25)]. Не-
линейный rрафик (см., напри-
мер, рис. 32, 34, 108, кривая д)
указывает на наличие особен-
ностей в механизме испуска-
ния. Например, в жидком рас-
творе это может указывать на
то, что интенсивность возбуж
дающеrо света так велика, что
скорость бимолекулярноrо ту-
шения триплетов триплетами
вносит существенный вклад в
полную скорость распада три
плета (см. раздел Il, [, 4).
В твердой среде это может ro
ворить о том, что замедлен-
ная флуоресценция возникает
в результате рекомбинации
ионов (см. раздел I,В,6),или
может указывать на суще-
ствование упорядоченноrо рас-
пределения триплетных моле
кул (см. раздел 11, [, 3).
Для читателя, не знакомоrо с электроникой, полезно сказать
несколько слов о постоянной времени измерительной цепи. На
рис. 109 изображена схема цепи, используемой для реrистрации
затухания люминесценции. Ток от фотоумножителя, измеряю
щеrо люминесценцию, проходит на землю через сопротивление
R" и напряжение, выделяющееся на этом сопротивлении, по-
дается на осциллоrраф. При этом чувствительность будет про-
порциональна сопротивлению R" максимально возможное зна.
чение KOToporo будет соответствовать входному сопротивлению
усилителя вертикальной развертки осциллоrрафа в диапазоне
максимальной чувствительности. Типичная максимальная вели-
чина может достиrать 10 МОм. .
о
о:
'"
..
<.>
:t:
.::..
"
BpeMSI
Рис. 108. Затухание люминесценции
в зависимости от времени [111].
Ордииата In (интенсивность), одио деле-
ние О,25; абсцисса время, одно делеиие
o,0003 с для кривых а и б, 0,0005 с для
кривой в, 1,0 с Д."я кривой е, 0,1 с для кри'
вой д. а, б замедленная флуоресценция
мономера идимера пирена в этаноле при
2З О С; в замедленная флуоресценция наф'
талина в этаиоле при 230 с; е, д фос
форесценция и замедлениая флуоресцен,
ция 'O 1 М раствора феиантрена в смеси
эфир пентан этанол при 77 К.
270
rЛАВА III
АППАРАТУРА И МЕТОДЫ ЭКСПЕРИМЕНТА
271
Паразитная еыкость (св), связанная с подводящими прово-
дами от фотоумножителя, оrраничивает скорость спадания вход-
Horo напряжения после выключения света. Напряжение спадает
экспоненциально с Постоянной времени, определяемой по урав-
нению
Постоянная вре:VIени (секунды) == R, (МОм). СВ (мкФ). (257)
При длинных подводящих проводах фотоумножителя паразитная
емкость СВ l\Iожет оказаться достаточной для Toro, чтобы по-
стоянная времени стала равной не-
скольким десятым миллисекунды
при Rr == 10 NIOM, И такую схему
нельзя использовать для измерения
малых времен жизни. Для борьбы
с паразитной емкостью можно либо
укорачивать подводящие провода,
либо уменьшать сопротивление Rr,
ХОтя последнее будет также сни
жать общую чувствительность. При
очень малых временах жизни пред
усилитель (катодный повторитель)
следует помещать непосредствен-
но в кожухе фотоумножителя. Ka
тодный повторитель преобразует
слабый ток фотоумножителя, про-
ходящий по высокоомному сопро
тивлению, в сиrнал сильноrо тока
с малым импедансом на низкоом
ном сопротивлении, что вызывает
адекватное падение напряжения на
небольшом входном сопротивлении осциллоrрафа. Для боль-
шинства работ, однако, предусилитель не требуется.
Демпфирующую емкость полезно пОдключать [уравнение
(257)] при измерении относительно больших времен жизни при
низкой интенсивности для уменьшения шумов осциллоrрафа.
В случае очень слабых световых сиrналов с очень малой по-
стоянной времени кривая на осцчллоrрафе отражает HepaBHO
мерность потока квантов на фотокатод детектора. Шум зна-
чительно уменьшается, если параллельно Rr ПрИсоединить
конденса'l'Ор С (рис. 109). Необходимо, ОДНаКО, следить, чтобы
величина RC была меньше 0,1 измеряемоrо времени жизни.
ОСЦU.f.llоzраrp
у
Е
т
8
RJ
Rz
Рис. 109. Схема ДЛЯ измере
НИЯ времен ЖИЗНИ.
у ВХОД усилителя; Т ВХОД триr
repa; S сиrнал люминесценции;
М опорный сиrнал; R, сопротив-
леиие иаrрузки усилителя (О, r 10
МОм); R, на!'рузка триrrера для со-
rласования с ВХОДОМ ОСЦИЛЛОI'рафа);
с s параЗИТIIЫ€ еМI{ОСТИ; С KOH
денсатор, используемый при измере-
нии больших времен жизни,
м
в присутствии значительно б6льших концентраций BToporo лю-
минесцирующеrо вещества (см. r л. У). С друrой стороны, CTe
пень чистоты веществ, используемых для исследования люми-
несценции, должна быть очень высокой, по крайней мере по от-
ношению к некоторым классам примесей. Так, при определении
спектра испускания быстрой флуоресценции соединения, имею-
щеrо малый квантовый выход флуоресценции и малый коэффи-
циент поrашения при длине волны возбуждающеrо света, при-
сутствие 0,1% примеси, имеющей большой квантовый выход
флуоресценции и высокий коэффициент поrашения, может пол-
ностью исказить результаты. Аналоrичные рассуждения приме-
нимы и к определению испускания фосфоресценции в твердом
растворе при низкой температуре. Поэтому желательно прове-
рять чистоту путем измерения спектра флуоресценции при не-
скольких длинах волн возбуждения. Если при этом наблюдается
изменение формы спектра, то можно предполаrать присутствие
BToporo флуоресцирующеrо вещества. К вновь появляющимся
полосам флуоресценции также нужно относиться осторожно и
тщательно проверять, не обусловлены ли они примесями.
Вследствие больших времен жизни триплетных состояний и
их чувствительности к тушению в жидком растворе (см. rл. II)
степень чистоты как pacTBopeHHoro вещества, так и раствори-
теля в котором исследуется долrоживущая люминесценция, дол-
жна 'быть HaMHoro выше степени чистоты, необходимой для иссле-
дования быстрой флуоресценции. Содержание кислорода нужно
уменьшить до ничтожной величины путем откачивания дО BЫCO
Koro вакуума, как указано в разделе III, И, 2. Ос овная труд-
ность состоит в том, чтобы удалить следы примесеи, способныuх
быть акцепторами энерrии триплетов изучаемых соединении,
так как эти примеси MorYT вносить ошибки при концентрациях
меньше 10 9 М. Трудность возрастает, если исследуемое соеди-
нение имеет относительно высокий триплетный уровень. Так,
большинство примесей, способных тушить триплет фенантрена
(расположенный при 2,21 MKM l), не влияет на триплет антра,
цена (расположенный при 1 ,48 MKM l), так как триплетные со-
стояния примесей расположены выше, чем триплеты антрацена
(см., например, раздел IV, Б, 4). u
Сложность снижения концентрации примесеи в растворителе
до уровня меньше 1 части на 10'0 усу убляется тем фактом, что
нельзя предуrадать природу примесеи и нет общеrо метода их
обнаружения, за исключением Toro, что они тушат ДОЛI'ОЖИВУ-
щую люминесценцию изучаемоrо соединения. На первых стадия
очистки рекомендуется измерять поrлощение в кювете толщинои
10 см, для контроля очистки в последующих стадиях исполь
зуются измерения (при высокой чувствительности) флуоресцен-
ции, возбуждаемой при 250 нм, или фосфоресценции при 77 К
7. Чистота веЩеств
Одним из достоинств флуоресцентных и фосфоресцентных из-
rлерений как аналитических методов является то, что с их по-
l\lОЩЬЮ l\IOЖНО определять очень малые концентрации Примеси
272
rЛАВА I1!
АППАРАТУРА И МЕТОДЫ ЭКСПЕРИМЕНТА
273
(см. раздел У, В, 4). Если имеtS.ТСЯ некоторое количество ранее
приrотовленноrо чистоrо растворителя, то последующие партии
растворителя можно сравнивать с ним, измеряя время жизни
замедленноЙ флуоресценции вещества, имеющеrо относительно
высокий уровень трипле-
та, например фенантре
на. Однако нельзя ДOKa
зать присутствие при меси
в первоначальной партии
«хорошеrо» растворите-
ля, не приrотовив лучше-
ro, в котором наблюдает,
ся большее время жизни
замедленноЙ флуоресцен-
ции, т. е. меньшая сте-
пень тушения триплетов.
Примеси можно обна
руживать не только по
их влиянию на время
жизни и Интенсивность
замедленной флуоресцен-
ции исследуемоrо веще-
ства, но также и по по-
явлению новых полос
йспускания сенсибилизо-
ванной замедленноЙ флу-
оресценции примеси. Та-
кие примеси при облуче-
нии в присутствии сенси-
билизатора иноrда пре-
терпевает фоторазложе-
ние и таким образом
MorYT быть удалены. На
рис. 110 показан расход
пирена и друrих приме-
сеЙ в растворе фенантре
на при облучении. Было найдено, ч?о следы пирена в этом pac
творе появились из этанола, которыи использовали для приrотов
ления раствора. Этанол был взят из емкости, из которой ранее
брали этанол для приrотовлеНi1Я растворов пирена, соблюдая
при этом все меры предосторожности, чтобы не допустить заrряз-
нения. Наличие в растворителе 1 части пирена на 109 частей было
объяснено заrрязнением через воздух, Коrда емкость, содержа
щую этанол, открывали в лаборатории, в которой ПРОВОДИЛИСЬ
опыты С пиреном. Этот пример показывает, с какой осторожно-
СТЫО надо хранить и обращаться с очищенными растворителями.
'1
l'
,1,
Q 11 \
,1 I
I I , '1/ I
,1 l'
, , 1 I
I '1 ,
: IJ е \
t'../J \
I ,
ос> , ,
в , \
<:> I
:r ,
I I
t I
.......
0\
c:r
:z:
:z:
'"
'"
"'-
t:
...
"
'"
:r
.....
::1
::1
::r
t
::r
:t:
::1
...
350
450
400
500
Д"щна во.АНЫ. нм
Рис. 110. Люмннесценция примесей в эта-
ноле при 200 С, сенсибилнзоваНIIая фенан-
треном (!0 3M) [!!!J.
Скорость поr.лощения Совета 0,7. 10 6 эЙнштеЙн(., .с\
при 341 362 нм. а быстрая флуоресцеИI,ия; б и
8 замедленная флуоресценция при чувствнтель
ности в ]000 раз больше; 2 быстрая флуоресцеи.
ция разбавлениоrо раствора пиреиа. ФотораЗJIО-
жение б. приводящее к в. происходило при облу-
Чении в течение 30 мин СО скоростью поrлощення
]0 5 эЙиштейн((.,.с).
Ниже кратко описаны методы приrотовления некоторых
обычно используемых растворителей.
Этанол. 3 r rранулированноrо едкоrо кали промывают этано-
лом для удаления поверхностных примесеЙ, а затем добавляют
к 3 л ЧИСтоrо кипящеrо этанола. Растворитель сразу же переrо-
няют и собирают среднюю фракцию (50%). Влияние такой обра-
ботки на спектр испускания флуоресценции показано на рис. 151
(раздел У, В, 4).
И зопентан и низкокипящие h-парафиНbl. Растворители встря
хивают с 10%-ным олеумом в течение 100 ч, периодически за-
меняя олеум свежими llOрЦИЯМИ. Растворитель промЫвают во-
дой, затем разбавленной щелочью и вновь водой, после чеrо ero
сушат над безводным сульфатом натрия, переrоняют и собирают
среднюю фракцию (50%).
Циклоzексан. Спектроскопически чистый циклоrексан можно
использовать без очистки. Все порции циклоrексана Проверяют
на чистоту и наиболее чистые, которые имеют наименьшую
флуоресценцию (см. рис. 150 в разделе У, В, 4), используют для
работ при высоких чувствительностях. Обычный циклоrексан
очищают тщательной обработкой серной кислотой, затем про-
мывают, сушат и фракционируют.
Жидкий парафин. Этот растворитель очищают пропусканием
через активированную окись алюминия, но последние следы
примесей, поrлощающих в далеком у.'Iьтрафиолете, удаляются
с большим трудом.
Бензол. Бекстрём и Сандрос [33] нашли, что время жизни
разбавленных растворов диацетила в чистом бензоле различ-
Horo происхождения изменяется весьма значительно. В бензоле,
очищенном с помощью фракционной переrонки, они получили
время жизни 1,0. 1 0 3 С при 200 С.
r лицерин и пропиленzликоль. Флуоресценция И фосфорес
ценция этих растворителей при 77 К существенно уменьшаетсн
при вакуумной переrонке. Пропилеш'ликоль обычно чище rли-
церина, однако вязкость последнеrо больше.
Ионизирующие растворители. Предложено несколько MeTO
ДОВ очистки, особенно в связи с электрохимическими исследова
ниями; количество люминесцирующих примесей неизвестно.
В работе [204] рекомендуются следующие операции для очистки
ацетонитрила: перемешивание с rидридом кальция в течение
2 дней, переrонка над пятиокисью фосфора, кипячение с rидри-
дом кальция и медленная переrонка. В этом случае продукт
может содержать некоторое количество акрилонитрила, Марикл
[205] выдерживал диметилформамид перед переrонкой в тече
ние 12 ч над карбонатом калия. Марикл и Ходжсон [206] Harpe
вали диметилсульфоксид в течение 2 ч над едким натром при
900 С, а затеМ фракционировали в БаКУУ lе.
274
rЛАВА III
АППАРАТуРА И МЕТОДЫ ЭКСПЕРИМЕНТА
275
Стеклообразные растворители. Выбор смесей растворителей,
образующих прозрачные твердые стекла при 77 К без растрес-
кивания, довольно оrраничен. Вайнфорднер и Сент Джон [207]
проверили несколько растворителей и смесей, Из чистых рас-
творителей пентан, петролейный эфир, этиловый эфир, 2 бром-
бутан, Э'lанол и н-пропанол в большинстве случаев дают Нерас-
трескивающиеся стекла. (Следует отметить, однако, что эти
опыты проводились В капиллярных трубках. Если использовать
большие оптические кюветы, то возможность растрескивания
значительно больше и сама кювета может треснуть. В таких
случаях лучше замораживать тонкий СJ1ОЙ раствора на одной
из стенок кюветы.) Что касается смесеЙ, то прозрачные стекла
давал безводный спирт в комбинации с друrими растворите-
лями. Очень хорошие стекла получались в смесях, содержащих
пентан, например в смесях эфир пентан этанол или метил-
циклоrексан пентан в различных соотношениях. rринспан и
Фишер [208] определили вязкость ряда стеклующихся смесей
в зависимости от температуры. Некоторые значения вязкости
приведены в табл. 27. Эти данные можно использовать при BЫ
боре смесей, образующих прозрачные стекла при 77 К и имею-
щих различную степень жесткости.
в ЯЗК ОСТЬ
(приблизительное
значение)
при 1800 С, пуаз
rодныМИ для исследования люминесценции. Каждое исследуе-
мое вещеСТ[JО имеет свои особенности очистки, и часто необхо-
димо ИСПОЛl> свать комбинацию методов для снижения содержа
ния ПРИll1есеи до требуемоrо уровня, которыЙ может составлять
1 часть на II1ШIЛИОН или менее. Для очистки следует использо-
вать перекристаллизацию твердых веществ, переrонку жидко-
стей, жидкостную или rазожидкостную хроматоrрафию, высоко-
вакуумную переrонку, фракционированное вымораживание и
зонную плавку. ДЛЯ твердых веществ, плавЯI.ЦИХСЯ ниже 3000 С
без разложения (в атмосфере азота, не содержащеrо кисло-
рода), мощным методом, который обычно уменьшает количество
примесей до очень низкоrо уровня, является зонная плавка [209]
(см. раздел У, Д, 8). Однако число примесеЙ, присутствующих
в очень малых количествах в орrаническом соединении, обычно
велико и часто имеются одна или две примеси с коэффициен-
тами разделения, близкими к 1, что делает их полное удаление
практически невозможным даже с использованием зонноЙ плав
ки. Н2пример, при получении чистоrо фенантрена примесь aH
трацена лучше Bcero удалять обработкоЙ бензольноrо раствора
малеиновым анrидридом, а примесь флуорена сплавлением
с едким кали [210]. Затем фенантрен перекристаллизовывают и
подверrают зонной плавке для удаления оставшихся примесей.
Количество примесей с неблаrоприятным коэффициентом раз-
деления нельзя довести до требуемоrо уровня однократной зон
ной плавкой, но при этом достиrается равновесное распределе
ние примесей по всему объему очищаемоrо образца [209]. Изме-
ряя спектр флуоресценции в различных точках образца, можно
следить за ходом процесса очистки. Измерение флуоресценции
или фосфоресценции в твердоы растворе при 77 К или сенси
билизованной замедленной флуоресценции в жидком растворе
также является чувствительным методом обнаружения приме-
сей в соответствующих системах. Некоторые примеры этоrо
описаны в r.л. V'.
Таблица 27
Вязкость низкотемпературных стекол (208)
Растворитель
1-Пропанол 2 пропанол (2: 3)
Этанол метанол
Этанол метанол и 4,5% БОДЫ
Этанол метанол и 9% ВОДЫ
Изооктан ИЗОНОIlан
МеТИЛЦdклоrексан цис ил!! траliс декалин
Метилциклоrексан толуол
МеТИЛЦИКЛOl'ексан изоrексан (3: 2)
Метилциклоrексан метилциклопентан
Мстилциклоrексан изопентан
Метилциклоrексан изопентан (! : 3)
2-Метилпентан
2- МетилтетраrИДРОфУР<JII
Эфир ИЗОIIентан этанол (5: 5 : 2)
6.1012
2. 1012
3.1010
1 . 1014
7.109
3. 106
2. 105
1 .103
7. 104
4.107
9. 103
8. Артефакты и тривиальные эффекты
Искажение спектра быстрой флуоресценции в результате
поrлощения люминесценции самим образцом было обсуждено
в разделе III, З. При определенных условиях аналоrичным об
разом может возникать искажение спектров фосфоресценции
или замедленной флуоресценции. Однако существует еще два
эффекта, которые MorYT приводить к появлению Дополнитель-
Horo испускания при измерении замедленной флуоресценции. Их
впервые обнаружили Паркер и Джойс [59} при измерении за-
медленной флуоресценции растворов пеРИJIена. При возбужде
нии светом с длиной волны 436 нм растворы перилена в этаноле
п р JI М е ч а н 11 е. В тех случаях, коrда соотношеНIlС не \'казана ис
пользовали равные объемы компонентов. .,
РастворяеА1ые веЩества. Продажные образцы большинства
веществ, даже те, которые имеют индеI,С «высокочистые» часто
содержат такое количество примесей, которое делает I1x 'неПРfl-
276
rЛАВА 111
АППАРАТУРА И МЕТОДЫ ЭI<СПЕРИМЕНТА
277
ризации люминесценции. ВозбуждающиЙ свет может быть либо
полностью неполяризованным, либо полностью плоскополяризо
ваннЫМ. Степень сложности прибора зависит от тото, какую ин
формацию требуется получить, и от точности, {: котороЙ нужно
определить поляризацию. Основные принципы и предосторож
ности при измерении спектрофлуориметрии и спектрофосфори
метрии относятся и к измерениям по" а
ляризации, но в последнем случае He А /
обходимо соблюдать также и дополни / Е
тельные меры предосторожности. Они О
в основном связаны с устранением
возможностей для возникновения по
ляризации в монохроматорах или с ее
компенсацией и будут обсуждены при
описании приборов для измерения по"
ляризации люминесценции. Следую
щие разделы рекомендуется читать
вместе с разделом 1, [.
1. Поляризаторы
а) Призм-а Николя. Кристалл каль-
цита размером около 25 Х 8 мм с по
верхностыо, отшлифованноЙ в опреде
ленном направлении, разрезается на
две части особым способом [68] и вновь
склеивается канадским бальзамом. Рис. 111. Поляризаторы.
Естественный свет, проходящиЙ через а призма Николя; б призма
Р омб в точке А (р ис. 111,а ) , Р асщеп- rлана Томпсона (оптическая
ось перпеидикулярна АВ);
ляется на обыкновенный и необыкно- в призма Рошоиа.
венныЙ лучи. Они плоскополяризованы
во взаимНО перпендикулярных плоскостях. Показатель прелом
ления канадскоrо бальзама является промежуточным между по
казателями преломления кальцита для обыкновенноrо и необык-
HOBeHHoro лучеЙ (для конкретното уrла падения), так что необык-
новенныЙ луч преломляеrся на поверхности и проходит через
кристалл по направлению Е будучи плоскополяризованным, а
обыкновенный испытывает полное внутреннее отражение на по-
верхности и поrлощается зачерненной rранью призмы. Напра:
вление поляризации проходящеrо луча параллельно короткои
диаrонали задней плоскости. Пропускание призмы Николя бы-
стро падает в ультрафиолетовой области из-за поrлощения ка-
надскОТО бальзама. u
б) П ризм-а r лана Том-псона состоит из прямоуrольнои при-
эмы кальцита, вырезанноЙ так, что ее оптическая ось перпен-
дикулярна длине призмы. Призма разрезана вдоль плоскости,
испускали только слабую замедленную флуоресценцию (см.
раздел IV, А, 5), но при возбуждении тех же растворов светом
с длиной волны 250 нм наблюдалась более интенсивная замед
ленная .l1юминесценция. Паркер и Джойс показали, что возни
кающая люминесценция не является истинноЙ замедленной
флуоресценцией, а представляет собой артефакт, в действитель
насти же это была быстрая флуоресценция перилена, возбу-
ждаемая за счет поrлощения периленом фосфоресценции кварца
кюветы. Время затухания .I1юминесценции было равно времени
затухания фосфоресценции кварца, и поэтому наблюдаемое ис
пускание реrистрировалось как замедленная флуоресценция.
Полоса поrлощения перилена расположена как раз в области
фосфоресценции плавленоrо кварца 370 430 нм. Для Toro
чтобы избежать появления люминесценции, оБУСЛОВJlенной этим
эффектом, рекомендуется при измерениях в УJlьтрафиолетовоЙ
области использовать кюветы из нефосфоресцирующей синтети-
ческоЙ двуокиси кремния.
Появление посторонней замедленной флуоресценции может
вызывать не только фосфоресценция кювет. Если «истинная»
долrоживущая люминесценция одноrо из компонентов раСТвора
(либо фосфоресценция, либо замедленная флуоресценция) Ha
ходится в области поrлощения nтoporo компонента, то при этом
б'iдет возбуждаться быстрая флуоресценция BToporo компонен-
та (<<тривиальный эффект»), и эта быстрая флуоресценция бу
дет затухать со скоростью, равной скорости затухания долrо-
живущеЙ ЛЮl\lИнесценции перноrо компонента. В качестве при-
мера Паркер и Джойс [59] при водят измерение люминесценции
перилена в жидком парафине при 77 К при возбуждении светом
с длиной волны 250 или 297 302 нм. ЖидкиЙ парафин содер-
жал следы примесеЙ, фосфоресцирующих в области 380 440 нм.
Свет этой фосфоресценции частично поrлощался периленом и
возбуждал быструю флуоресценцию последнеrо. Быстрая флуо-
ресценция затухала со скоростью затухания фосфоресценции
примесеЙ в жидком парафине и реrистрировалась как замед-
ленная флуоресценция перилена. Из этоrо прнмера видно, как
важно критически относиться к экспериментам, в которых Ha
блюдается замедленная флуоресценция, чтобы быть уверенным,
что она не вызвана тривиальными эффектами.
О. ИЗМЕРЕНИЕ ПОЛЯРИЗАЦИИ ЛЮМИНЕСЦЕНЦИИ
Поляризация фотолюминесценции жидкостей почти всетда
измеряется под прямым уrлом к направлению распространения
возбуждающеrо света. Такие измерения производятся с по
мощью флуориметра с фильтрами или спектрофлуориметра,
снабженноrо приспособлением для определения степени ПОЛf{-
6
E
О
в
А
о
Е
278
!'пАВА Ilt
АППАРАТУРА И МЕТОДЫ ЭКСПЕРИМЕНТА
279
проходящей через противоположные ребра, а полированные
поверхност склеены вместе специальным клеем, имеющим
подходя щи и показатель преломления и прозрачным в ультра
фиолете. Обыкновенный инеобыкновенный ЛУЧI1 проходят через
ПрИЗ:VIУ до клеевоrо слоя, не отклоняясь. Показатель преломле-
ния клея для необыкновенноrо луча почти равен показатешо
преЛОl\lления каЛЬЦИта, и луч не отклоняется, в то время как
обыкновенный луч претерпевает полное внутреннее отражение
(рис. 111, б) .
в) Приз.ма Рошона. Обычно она состоит из двух прямоуrоль
ных призм двупреломляющеrо кристалла, склеенных вместе.
Оптическая ось левой призмы параллельна нормали к поверх.
ности, т. е. параллельна направлению пучка падающеrс света А
на рис. 111, в. Оптическая ось правой призмы перпендикулярна
плоскости рисунка. Луч СБета, падающий на призму в точке А,
проходит, не отклоняясь, через первую призму, но во второй
призме он разделяется на обыкновенный и необыкновенный лучи.
Первый проходит без отклонения, а второй отклоняется, образуя
некоторый уrол с обыкновенным лучом. При такой схеме двупре
ломляющие Свойства первой призмы не используются, так как
свет проходит вдоль оптической оси. Поэтому первую призму
можно заменить призмой из плавленоrо кварца. В этом случае
удается избежать деполяризации умеренно сходящихся пучков
света, и если обе ПрИЗI\lЫ склеить тонким слоем парафиновоrо
масла, то такая комбинация будет пропускать свет вплоть до
220 нм. .При такой конструкции необыкновенный луч (поляризо
ванный вертикально) отклоняется лишь слеrка, в то время как
обыкновенный отклоняется от необыкновенноrо почти на 100 [211].
С!) Поляризующие пленки. Такие ПJlенки раньше получали
ПУ'<,ем внедрения дихроичных кристаллов, например сульфатпе
риодида хинина, в прозрачную полимерную пленку. Кристаллы
в пленке были ориентированы маrнитныlVI Полем или обработ-
кой растяrиванием и под давлением. В этом случае пленка
(подобно кристаллу турмалина, см. раздел 1, r, 1) поrлощает
свет, поляризованный в определенном напраВ,lIении, но пропу
('кает свет, поляризованный перпендикулярно этому наПравле
нию. «Поляроидные» пленки дают очень высокую степень поля
ризации в середине видимой области спектра.
2. Поляризационяые флуориметры с фильтрами
Для измерения вращательной деполяризации используют
сравнительно простую схему с фильтрами для выделения нуж
ных длин волн возбуждающеrо света и света флуоресценции.
Такой при бор описан Джонсоном и Ричардсом [212]. Общая.
схема ero приведена на рис. 112. Ультрафиолетовый свет ртут-
ной лампы А освещает щель 51, лучи света проходят через
линзу L[ и становятся параллельными, затем попадают через
фильтр Р l и прямоуrольную диафраrму 52 в прямоуrольную
стеклянную кювету С, расположенную в уrлу термостата. Свет
Водяная баня
F,Sz
Механическая
мешалка
PS
Рис. 112. Измерение поляризации флуоресценции [212].
A ИСТОЧНИК света: S, освещаемая щель: L, кварцевая линза; Р, фильтр возбужде'
ния: S2 прямоуrольная диафраrма; С кювета; М\ и М, серебряные зеркала; p, фильтр
Флуоресценцин; 1 ирисовая диафраrма; PS полярископ; Н наrреватель.
к za.llbeaHo""empy
и 6атарея,м
П
сопроТ11U6.;rения
F3
Кювета
Х Lz
Q
p
А
Фоmоу.множиmе.fь.
T
8з
Рис. 113. Схема ПО,1ярископа [212].
Х держатель ДJJЯ поляроидноrо фильтра Р,; L, линза: S, днафраrыа; Q кварцевыЙ де-
поляризатор; А зачерненная латунная трубка; Р фОТQкаrод: Т кожух ФотоумножитеJIЯ.
флуоресценции проходит через фильтр Р 2 и ирисовую ДИйфраr-
му 1 к полярископу Р5, причем ero интенсивность усиливается
зеркалами М l и М 2 . Схема полярископа ПРИiзедена на рис. 113.
После диафраrмы 1 свет флуоресценции проходит через поля
роидную пленку F з к линзе L 2 . Из ЛИНЗЫ почти параллельный
пучок света попадает через диафраrму 5з и деполяризатор Q
АППАРАтУРА И МЕТОДЫ ЭКСПЕРИМЕНТА
281
280
rЛАВА III
на фотокаl0Д Р детектора. Поляроидный фильтр можно Bpa
щать BOKpyr оси зачерненной трубки А на 900. Деполяризатор
при меняется здесь для Toro, чтобы избежать ошибок, обуслов-
ленных разноЙ чувствительностью фотокатода к вертикально и
rоризонтально поляризованному свету. Джонсон и Ричардс ис
пользовали две кварцевые пластинки толщиноЙ 2 и 4 мм, Bыpe
занные параллельно оптической оси и склеенные так, что опти
ческие оси образуют уrол 450.
Описываемый метод включает три измерения сиrнала с фо-
тоумножителя: 1) при положении поляроида, коrда п;:>оходит
вертикально поляризованныЙ свет; 2) поляроид повернут на 900
по отношению к первоначальному положению; 3) измеряется
темновой ток при выключенном возбуждающем свете. Первые
два измерения исправляют с учетом TeMHoBoro тока и исправ-
ленные величины ix и iy используют для вычисления кажущеЙся
степени поляризации по следующему уравнению:
ix iy
Ре === . + . .
lx ly
(258)
ванная составляющая света фЛу(Jресценции, колеблющаяся в на-
правлении распространения возбуждающеrо света, не зависит
от плоскости поляризации последнеrо и ее можно использовать
в качестве сиrнала сравнения для составляющей света флуорес
ценции в направлении колебаниЙ возбуждающеrо света. Обра
зец освещается фильтрованным светом, поляризованным с по
мощью призмы rлана ТОl\шсона в вертикальной или rоризон
тальной плоскости. Флуоресценцию реrистрируют двумя фото-
умножителями, расположенными один против друrоrо в напра
влениях, перпендикулярных направлению распространения воз
буждающеrо света. Через призму rлана Томпсона перед oд
ним из фотоумножителеЙ проходит только rоризонтально поля
ризованный свет, и сиrнал с этоrо фотоумножителя служит сиr
налом сравнения. Через призму rлана Томпсона перед BTO
рым фотоумножителем (измеряющий фотоумножитель) проходит
только вертикально поляризованныЙ свет. Если возбуждающий
свет поляризован rоризонтально, то пучки флуоресценции образ
ца в направлении обоих фотоумножителей не поляризованы, и
поэтому их сиrналы пропорциональны 11.' Си:налы при этом по
ложении уравнивают с помощью специальнои схемы. Если воз
буждающий свет поляризован вертикально, то фотоумножитель
сравнения получает сиrнал, пропорциональный 11., а измеряю-
щий фотоумножитель получает сиrнал, пропорциональный 111'
Для измерения отношения 11./111 сиrналы с фотоумножителей
уравниваются поворотом четвертой призмы rлана Томпсона,
через которую свет проходит к измеряющему фотоумножителю.
Зная уrол поворота, необходимый для уравнивания сиrналов
с фотоумножителеЙ, можно вычислить отношение I L/III. В статье
Вебера приведено подробное описание прибора, теории измере-
ний и величины систематических ошибок.
Истинная степень поляризации (Р) определяется уравнением
Ре == рТ, . (259)
r т поляризующая способность поляроида, равная 0,997 или
более, и, следовательно, Ре приблизительно равна р.
Джонсон и Ричардс, помимо друrил фактороI3, обсуждали Be
личину .систематических ошибок, обусловленных следующими
причина ми: поляризацией возбуждающеrо света, ориентацией
и поворотом поляроида, расхождением пучка флуоресценции.
Поправку на степень поляризации возбуждаюшеrо света PL
можно вычислить по следующей формуле:
I 1 ( 1 ) PL
р==р 1 +P L + 1 +p L ' (260)
rде р' наблюдаемая поляризация флуоресценции, а р зна
чение, которое получилось бы при PL == О. Было показано, что
ошибки, обусловленные неправильной ориентацией или ПОFОрО
том поляроида на неправильный уrол, меньше 0,3 и 0,15% co
ответственно для всех значений Р, если точность ориентации и
вращения составляет 20. Было показано также, что ошибка из-за
расхождения пучка флуоресценции (при точности + 50) COCTaB
ляет меньше 1 %. Вебер [213] показал, что даже значительное
схождение или расхождение пучка возбуждающеrо света не
вносит существенной ошибки.
Вебер [214] описал прибор, измеряющий малые и большие
степени поляризации с абсолютной ТОчностыо + 0,001. Принцип
работы этоrо прибора основан на том, что линеЙно поляризо-
3. Поляризация спектра возбуждения флуоресценции
Вебер [215] описал прибор для измерения поляризации
спектра возбуждения флуоресценции. Схема er приведена на
рис. 114. Пучок возбуждающеrо света требуеl\IOИ длины волны,
выделяемой из спектра ксеноновой ламПЫ S с помощью моно-
хроматора М, становится параллельным после прохождения че
рез линзу L и попадает на образец в кювете С. Свет флуорес-
ценции, выходящий под прямым уrлом к падающему пучку,
проходит через призму r лана Томпсона Р и фильтр F к фо-
тоумножителю РМ. С помощью rальванометра сиrналы фото-
умножителей измеряются в каждом из ДI3ух положений
поляризатора, а именно: коrда поляризованная компонента пер
пендикулярна направлениям возбуждения и наблюдения (111)
и коrда поляризованная компонента параллельна направлению
282
r ЛАВА III
АППАРАТУРА И МЕТОДЫ ЭКСПЕРИМЕНТА
283
распространения возбуждающеrо света (11. ). Величины, полу
ченные для каждоЙ длины волны монохроматора, подставляют
в уравнение (49) для определения степени поляризации р. По-
лученные таким образом значения р изображаются в зависимо-
сти от длины волны для вычисления поляризации спектра
возбуждения флуоресценции.
Для уменьшения вращательной деполяризации в качестве
ра<::творителя использовали rлицерин или, лучше, пропиленrли-
коль И раствор охлаждали до
700 С с помощьJO медноrо
блока, помещенноrо в латун-
ный кожух, через который бы-
стро циркулировал охлажден
ный этанал.
Вебер показал, что степень
поляризации' возбуждающеrо
света изменяется с изменением
длины волны, но отклонения
не превышают 1 О %. COOTBeT
ствующая ошибка при опре
делении степени поляризации
флуоресценции была Toro же
порядка, что и точность изме-
рений, и поэтому не вводилось
никакой поправки. Вебер так-
же обсудил проблему депо
ляризации при поrлощении
флуоресценции в концентрированных растворах и вторичном
испускании. Для измерения концентрированных растворов он
использовал тонкие пленки, зажатые между rипотенузными
rранями двух TpexrpaHHbIx призм из синтетической двуокиси
кремния.
м
s
,1/
71'
L,
L<:::>
с
D
р F
1S:1 G
Рис. 114. Схема устаIЮВКИ для изме
рения поляризации спектра возбу'
ждения флуоресценции.
S ксеноновая лампа; М решеточный
монохроматор; L кварцевая линза; С кю,
вета; Р призма r лана Томпсона; F
фильтр флуоресценцни; РМ ФОТОУМIIОЖИ-
ТЕ!'ЛЬ; G rальваНQметр.
флуоресценции (с вертикально поляризованным возбуждающим
светом) просто СООТВе'Тствуют тем сиrналам фотоумножителя,
которые получаются, коrда призма r лана ТОl\1Псона в пучке
флуоресценции последовательно устанавливается на пропуска-
ние вертикально и соответственно rоризонтально поляризован-
ных компонент. Для вычисления «истинных» значений l iI и 11.
необходимо, во-первых, измерить относительное пропускание
(Т) монохроматора флуоресценции для вертикально и rоризон-
тально поляризованноrо света той же длины волны, что и свет
флуоресценции. В этом случае степень поляризации флуоресцен-
ции вычисляется так:
RII TR1.
р===
RII+TR1. '
rде RII и R1. наблюдаемые сиrналы от вертикальной и rори-
зонтальной компонент флуоресценции.
Величину Т можно измерить, помещая на место образца ис
точник неполяризованноrо света (например, света маленькой
вольфрамовой лампы, прошедшеrо через несколько шлифован-
ных стеклянных экранов). Отношение сиrналов, получаемых
с поляризатором, установленным для достижения вертикальной
и rоризонтальной поляризации (при соответствующей длине
волны), равно Т.
Прайс и сотр. [74] с помощью cBoero прибора измерили по-
ляризацию четырех растворов, для которых ранее Вебер [214]
получил точные данные. Стабильность источника света была
не выше 1 %, и стандартное отклонение от значения, среднеrо
для нескольких измерений, составляло около 1 %. Различие Me
жду значениями поляризации, полученными ими и Вебером, не
превышало :tO,03.
Адзуми и MaK r линн [64] описали друrие методы корректи-
ровки. Один из этих методов основан на том, что при довольно
малой вязкости растворителя и большом времени испускания
наблюдается полная вращательная деполяризация. Они изме-
рили кажущуюся поляризацию флуоресценц!1И 10 ' М раствора
фенантрена в метилциклоrексане и нашли, что RII и R 1. меняются
с изменением длины волны как монохроматора возбуждения,
так и монохроматора люминесценции. Однако при постоянноЙ
длине волны монохроматора люминесценции отношение RII/R1.
остается постоянным по всему спектру возбуждения. Они сде-
лали вывод, что в действительности флуоресценция была не-
поляризована и что изменение RII и R1. вызвано прибором.
В этом случае стношение RII/R 1. равно требуемой величине Т.
Второй метод корректировки, предложенныЙ Адзуми и Мак-
rлинном, проще и, по-видимому, более точен. Он OCH BaH на том
факте, что при rоризонтально поляризованном возоуждающем
(261 )
4. Использование обычных сnектрофлуориметра или
сnектрофосфориметра для поляризационных измерений
ОбычныЙ спектрофлуориметр с освещением образца под
прямым уrлом, в котором возбуждающиЙ свет фокусируется
в центре кюветы толщиноЙ 1 см, можно использовать для по
ляризацУ'ОННЫХ измерениЙ, помещая призмы rлана Томпсона
. в держатели, которые можнО вращать, рядом с образцом, одну
в сходящийся пучок возбуждающеrо света, а друrую в расхо-
ДЯIЦийся пучок люминесценции, реrистрируемоЙ анализирующим
монохроматором. Подробное описание такой установки можно
найти в работе Прайса и сотр. [74]. Кажущиеся значения вер-
тикально и rоризонтально поляризованных компонент света
284
rЛАВА III
АППАРАТУРА И МЕТОДЫ ЭI\СПЕРИМЕНТА
285
свете испускание в направлении под прямым уrлом к падаю-
щему пучку (т. е. в направлении, параллельном колебаниям
возбуждающеrо света) должно быть не поляризовано. Предпо-
ложим, что наблюдаемые сиrналы с фотоумножителя для Bep
тикальной и rоризонтальной компонент флуоресценции при eo
ризонтально поляризованном возбуждающем свете равны соот-
, ,
ветственно R'I и R , а соответствующие величины для верти-
кально поляризованноrо возбуждающеrо света равны RII и R .
Тоrда ОТНОСИ1ельное пропускание монохроматора флуоресцен
' / '
ции равно RII R , а исправленная поляризация флуоресценции
определяется по формуле
RII R (R /R )
Р === RII + RJ. (R / R ) .
теля. После усиления сиrналы переменноrо тока разделяются,
выпрямляются и получаемые напряжения (пропорциональные
111 и 1 ) подаются на малую аналоrовую вычислительную Ma
шину, которая определяет соответствующие Значения 111 и 1 .
Можно определять либо
111 /
Р=== I l '
11+
(263)
либо
2 2/11 1
cos 1 + 21
11
(264)
(262)
[см. уравнения (49) и (53)]. В приборе предусмотрена aBTOMa
тическая корректировка изменения коэффициента относитель-
Horo пропускания Т анализирующеrо монохроматора для вер-
тикально и rоризонтально поляризованноrо света.
5. Автоматическая рezистрация сnе1Стров поляризации
флуоресценции
Эйнсуорт и Винтер [211] описали спектрофлуориметр, кото-
рый можно использовать для записи поляризации спектров воз-
буждения или испускания флуоресценции, спектров поrлощения
[]
F
R
р
Рис. 115. Схема поляризаЦИОНIIоrо спектрофлуориметра [211].
М, моиохроматор возбуждеиия; R призма Рошона; А ксеноновая лампа; F держа-
тель для фильтра; М, монохроматор люминесценции; р фотоумиожитель.
и исправленных спектров возбуждения и испускания флуорес-
ценции. Ниже кратко описаны первое применение и схема этоrо
при бора (рис. 115). Подробные данные можно найти в ориrи-
нальной статье. Возбуждающий свет из первоrо монохроматора
проходит через призму Рошона, и вертикально поляризованный
свет фокусируется на образец. Выходящий под прямым уrлом
свет флуоресценции дисперrируется вторым монохроматором и
разлаrается на две поляризованные компоненты второй приз
мой Рошона. Оба пучка модулируются различными частотами
при про хождении через отверстия вращаЮщеrося диска, и оба
чаконец попадают на фотокатод одноrо и Toro же фотоумножц-
СПЕЦИАЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ И ПРИМЕНЕНИЕ
287
rлава IV
интересующих нас трех констант скорости:
l/'ro == k f + k n + kg. (265)
Измерение эффективности флуоресценции <р? (см. раздел III, Л)
дает все величины, необходимые для вычисления излучатель
Horo времени жизни т, и, следовательно, константы скорости k f :
<p === k f /( k f + k n + R g) kfTO === то/т,, (266)
Второй метод не требует применения флуорометра и по
этому используется чаще. Из интеrральноrо коэффициента по-
rлощения по уравнениям (27), (28) и (29) ВЫЧИС.'Iяют излуча
тельное время жизни, а затем, измерив в интересующих усло
виях эффективность флуоресценции <p , по уравнению (266)
рассчитывают действительное время жизни.
Третий метод, применяемый реже, обсуждался в разделе
III, М, 3. Предполаrают, что тушение специально вводимой до-
бавкой, например диацетилом, контролируется диффузиеЙ и что
время жизни То можно рассчитать из константы тушения Штер
на Фольмера, используя диффузионную константу скорости
тушения, вычисляемую с учетом интересующих условий. aTeM
по времени жизни То и эффективности флуоресценции <Р! BЫ
числяют излучательное время жизни Тт'
СПЕЦИАЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ И ПРИМЕНЕНИЕ
А. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ НИЗШErО ВОЗБУЖДЕННоrо
СИнrЛЕТноrо СОСТОЯНИЯ
1. Общие замечания
Возбужденное синrлетное состояние 5* ПрИНимает vчастие
в следующнх процесс ах (см. rл. II): -
Излучательный переход Скорость == k f [5']
Внутренняя конверсия == k n [5']
Интеркомбинационная конверсия == kg [5']
Тушение == k Q [Q] [5']
Перенос энерrии
Тушение включает и самотушение, т. е. Процесс, в котором
роль тушителя иrрает флуоресцирующее вещество. В умеренно
разбавленных растворах « 10 4 М) переносом энерrии и ca
мотушеl'Iием можно пренебречь. Константу скорости тушения
посторонним веществом (k Q ) можно рассчитаlЬ, зная константу
тушения Штерна Фольмера [уравнение (75)] и время жизни
флуоресценции в отсутствие данноrо тушитсля (то). Способы
определения остальных трех констант скорости будут рассмот-
рены в следующих u разделах. Следует отметить, что константа
скорости внутреннеи конверсии включает скорость тушения флу
оресценции растворителем. Как мы увидим, это тушение может
представлять собой фотохимическую реакцию или же такое
вз имодействие, которое повЫшает скорость IIIlТеркомбинацион-
нои конверсии.
3. Скорость интеркомбинационной конверсии
Из измерений флуоресценции невозможно определить зна-
чения k n и k g в отдельности, и для 1'01'0, чтобы получить значе
ние k g , нужно использовать как время жизни То, наЙденное опи-
санными выше методами, так и эффективность образования три-
плетов <pt, измеренную независимым методом. Тоrда
kg === <p/r:o (267)
[см. уравнение (93)].
До недавнеrо времени существовал только один метод опре-
деления <pt, основанный на определении эффективности флуорес-
ценции при низкой температуре (77 К) и на предположении
о том что в этих условиях скорость внутренней конверсии пре-
небре имо мала [см. уравнение (108)]. Но фотохимику о.?ычно
важнее знать эффективность (pt в жидкости при комнатнои тем'
пературе. Пересчет можно сделать по формуле (268) [ср. с ypaB
нением (103)]:
, ,
pTp, pTp ' )
<Pt ==,.......--- <Pt (1 <р! .
pTp pTp
Здесь rrредполаrается, что вещество при обеих reMnepaTypax
обладает измеримой фосфоресценцией, имеющеЙ эффективность
(268)
2. Излучательное и действительное время жизни
флуоресценции
Для измерения времени ЖИЗЕИ флуоресценции обычно ис-
пользуют два метода. ПервыЙ и наи50лее точныЙ требует
применения флуорометра (см. раздел III, М, 1 2), при помощи
KOToporo действительное время жизни То измеряется непосред-
ственно в условиях опыта. В разбавленных растворах и в от-
сутсТвие специально добавляемоrо тушителя это дает сумму
288
r ЛАВА 'V
СПЕЦИАЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ И ПРИМЕНЕНИЕ
289
qJp и время жизни Тр, а символы со штрихами ОТносятся к низ
кой темпер атуре.
Недавно было предложено несколько прямых методов опре-
деления qJt в жидких растворах при комнатной температуре. По
методу Боуэрса и Портера [216] <pt рассчитьшают из абсо.'IЮТ
ных концентраций Триплетных молекул, полученных импульсной
спектрофотометрией по поrлощению. Ламола и Хаммонд [105]
использовали исследуемое вещество в качестве фотосенсибили
затора тех реакций, которые протекают через триплетное со'
стояние peareHToB. Мы не будем рассматривать эти методы, по
скольку в них не измеряется фотолюминесценция, но в следую-
щих разделах остановимся на двух друrих методах, основанных
на фотолюминесценции. В одном из этих методов данные по
тушению флуоресценции сопоставляют с относительными KOH
центрациями триплетных молекул, полученных при импульсном
фотолизе, в друrом измеряют только быструю и замедленную
флуоресценцию, используя, однако, в качестве «станда рта» Be
щество с изв стной эффективностью образования триплетов.
нашли, что тушение флуоресценции тушитеЛflМИ с тяжелыми
атомами действительно сопровождается увеличением выхода
триплетов. Относительные количества триплетов в присутствии
и в отсутствие бромбензола (DT/D ) и соответствующие значе
ния тушения флуоресценции (POjF) приведены в табл. 28. Из
этих данных, введя разумные допущения, Мединrер и Уилкин
сон рассчитали эффективности образования триплетов флуорес
цирующих веществ.
Таблица 28
Тушение флуоресценции и увеличение образования триплетов
под влиянием бром бензола [103)
концеН'1 Dт/щ
Растворитель трация ро/р ЧJ?
Соединение бром бен-
зола, М I
Антрацен Жидкий парафин 0,93 2,08 1,17 } 0,75
Антрацен » » 1,92 3,35 1,205
9-Метилантрацен » » 0,96 1,31 1,09 1 0,72
9-Метилантрацен » » 1,92 1,57 1,13 J
9-Фенилантрацен Изопропиловый спирт 0,96 1,50 1,30 } 0,51
9-Фенилантрацен » » 1,92 1,62 1,38
9-Фенилантрацен Жидкий парафин 0,48 1,12 1,18 ]
9.Фенилантрацен » » 0,96 1,26 1,361 0,37
9.Фенилантрацен » » 1,92 1,44 1,64
9-Фенилантрацен » » 2,88 1,57 1,64
9, \О Дифенилантра » » 1,92 1,07 1,5 0,12
цен
4. Определение эффективности образования триплетов
ПО методу Мединеера и Уилкинсона
Причиной тушения флуоресценции вводимым в систему Be
ществом Q межет быть химическая реакция, например в случае
тушения флуоресценции антрацена четырР.ххлористым уrлеро
дом образование диантрацена или возбужденных димеров.
Друrой причиной может быть перенос энерrии (разд II, Б, 6)
'A*+'Q 'A+'Q' (269)
илu перенос заряда [217]
'А' + lQ A:!:Q+ 'А + 'Q. (270)
Особенно интересен предложенный Кашей [218] Процесс, при
котором тушение флуоресценции является результатом интер-
комбинационной конверсии, индуцируемой столкновением воз-
бужденной синrлетной молекулы с молекулой тушителя
'А' + 'Q ЗА + 'Q. (271)
Следует ожидать, что этот процесс протекает в случае туши,
rrелей, одержащих тяжелые а10МЫ, поско.'Iьку в них велико
спин орбитальное взаимодействие. Мединrер и Уилкинсон [103]
исследовали этот процесс, взяв в качестве тушителя бромб-:н-
зол, а в качестве флуоресцирующеrо вещества антрацен и He
которые ero производные. Методом импульсной абсорбционной
спектроскопии они измерили относитеЛЬные эффективности об-
разования триплетов в присутствии и в Отсутствие тушителя и
Кинетическая схема Мединrера и Уилкинсона в наших обо,
значениях подобна схеме, обсуждавшейся в разделе 11, Б, 1 и
дополненной двумя процессами тушения:
1 А + 1 А' Скорость ::=о 1 а'
lA* lA+h'V'
lA* 'A
lА' ЗА
lА*+Q ЗА+Q
lA*+Q 'A+Q
3А--7'А
== k f [' А*],
== k n ['А*],
== kg [Ч*],
=== k Q [' А*] [Q],
== kQ ['А*] [Q],
=== kh[ЗА].
(272)
(273)
(274)
(275)
(276)
(277)
(278)
Условие стационарности дЛЯ ['А*] дает следующее уравнение:
<P /<P! == 1 + (kQ + k Q ) [Q]'t', (279)
rде l' времЯ жизни синrлетноrо состояния в отсутствие туши
теля. Выражение для относительных количеств триплетов
1 О Зак, 1281
290
rлАВА 'У
СПЕЦИАЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ И ПРИМЕНЕНИЕ
291
чарда [34]). (Ср. со значениями из табл. 30, полученными мето-
дом, описанным в следующем разделе.) Можно было ожидать,
что с увеличением концентрации пирена эффективность образо-
вания триплетов будет уменьшаться в результате Toro, что
с процессами (273) (275) Таблица 29
начнет конкурировать caMO
( е Эффективности обраЗ0вания триплетов
тушение сопровождающе - (qJt), флуоресценции мономеров (qJM)
ся образованием возбужден- и флуоресценции димеров (qJ ) (219]
ных димеров; см. раздел IV, D
[, 3). Мединrер и Уилкин- Концентрация I <P t I <р [34] I <р [34]
сон нашли, что эффектив- пнрена М D
ность обр азования трипле
1'013 действительно ум ень-
шалась в области высоких
концентраций (табл. 29),
однако медленнее, чем это
можно было ожидать. Они
предложили удовлетвори
тельное объяснение своим
результатам, предположив, что при диссоциации возбужден-
Horo димера получается триплетная молекула:
l' 3 I )
Р2 Р + Р, (284
а также синrлетные молекулы в электронно возбужденном и
в основном состояниях (см. раздел IV, r, 3):
lp; Ip' + l р ,
lp; lр + lр.
в присутствии и в отсутствие тушителя имеет следующиЙ вид:
!!.z.... 1 + k Q [Q]/k g
D 1 + (kQ + k Q ) [Q]T . (280)
Искточив из уравнений (279) и (280) концентрацию тушителя,
получаем следующую формулу:
О ( D О ) ( k' )
== q>f 1 1 + <p + 1, (281)
qJf DrqJf k Q
!'де <p эффективность образования триплетов в отсутствие
тушителя, равная kgT, (Отметим, что при очень высоких концен-
трациях тушителя в уравнения (279) и (280) необходимо BBO
дить поправки на кинетическую активность, которые изменяют
эффективное значение [Q]. ЭТИ поправки, однако, не влияют на
уравнение (281), поско.'!ьку оно не зависит от [Q].)
Мединrер и Уилкинсон установили, что отношение РО/Р ли
нейно зависит от величины (Drpo/ D P) 1 и в соответствии
с уравнением (281) наклон rрафика равен (1 + kQ/kQ)<p . Было
найдено, что суммы наклонов и соответствующих им значений
эффективности флуоресценции в пределах поrрешностей опЫта
составляют единицу, т, е.
<p +(1 +kQ/kQ)<p I. (282)
Это ОЗЩlчает, что либо пренебрежимо мало k Q , либо выпол
няется с.'lедующее соотношение:
kQ/k Q == /in/k g , (283)
KOTupoe следует из Toro, что l/т == k f + k n + k g . Трудно Понять,
в силу каких причин для всех соединений kQ/k Q моrло бы быть
равно kn/k g , и поэтому Мединrер и Уилкинсон считают, что, ве-
роятно, k Q мало по сравнению с k Q и, следовательно, эффектив-
ность <p можно рассчитать по уравнению (281), пользуясь непо-
средственно измеренными значениями р О / Р и Dr/ D . Рассчи
танные этим методом эффективности образования триплетов
Приведены в табл. 28, Результаты показывают, что для четырех
исследованных соединений в использованных авторами раство-
рителях сумма <p и <p равна единице.
В бо.lее поздней работе Мединrер и Уилкинсон [219] приме-
нили свой метод к раствору пирена в этиловом спирте, взяв
в качестве тушителя иодистый этил. В разбавленных растворах,
rде можно пренебречь образованием возбужденных димеров,
эффективность <p оказалась равной 0,38, а сумма <p + <p
близкой к единице (<Р, была взята из работы Паркера и Хат-
Низкая 0,38 0,65 О
2. 10 5 0,38 0,63 0,02
1 . 10 4 0,33 0,52 0,08
3. 10 4 0,26 0,41 0,21
1 . 10""3 0,185 0,21 0,38
(285)
(286)
При высоких концентрациях пирена сумма <pt, <рм и <PD оказа-
лась меньше единицы (табл. 29), что указывает на значитель-
ный вклад процесса (286) в распад возбужденноrо димера.
Эти результаты интересны еще и в том отношении, что ор-
rанические молекулы, содержащие тяжелые атомы, тушат син-
rлетные состояния rораздо эффективнее, чем триплетные, для
пирена отношение соотпетствующих констант тушения равно
примерно 2000.
5. Определение эффективности образования триплетов
на основе иЗМерений замедленной флуоресценции
Друrие методы определения эффективности образования
триплетов были описаны Паркером и Джойс [113, 114, 220]. Ос-
нованы они на сравнении со стандартным соединением с извест-
ной эффективностью образования триплетов, но их преимуще-
ством является простота, а один из этих методов применим
10.
292
r ЛАВА IV
СПЕЦИАЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ И ПРИМЕНЕНИЕ
293
даже к таким соединениям, которые сами по себе не флуорес-
цируют. Поэтому мы рассмотрим их подробно.
Общие уравнения Д,1Я эффективности сенсибилизованной за
медленной флуоресценции типа Р обсуждались в разделе II, [, 5.
Было показано, что в общем случае нужно рассматривать два
механизма: взаимодействие двух триплетных молекул акцептора
[процесс (170)] и перекрестное тушение триплетов [процесс (172)].
Однако при достаточно больших концентрациях акцептора три-
плеты донора будут потушены настолько сильно, что перекрест-
ным взаимодействием триплетов можно пренебречь. В этих
условиях поrлощение света донором приводит к заселению три-
плетных уровней акцептора в результате следующих процессов:
ID ID* ---? 3D Скорость == lа'{!Р, (287)
3D + IA > ID + 3А === p;k c [3D] [IA]. (288)
и тот же акцептор, один и тот же растворитель, но различные
доноры:
(IDF) \ [ (Ia), (Р;<РР)! 1:"1 ] 2
( 'D )
(IDP)2 (Ia)2 Pe<Pt 2'1:2
(295)
Следовательно, если вероятность р; для обоих доноров одина
кова (обычно ее считают равной единице), то, измерив в одном
и том же приборе и при известном отношении скоростей ПоrлО
щения света относительные интенсивности и времена жизни за-
меДленной флуоресценции, можно рассчитать отношение
(QJf)r!(QJf)2' Паркер и Джойс [104,220] выбрали в качестве акцеп-
тора перилен, а для возбуждения использовали длину волны
313 нм. В этой области спектра коэффициент поrашения пери
лена мал, поэтому эффективность образования триплетов низка
и вклад замедленной флуоресценции, вызываемой прямым воз
буждением перилена, пренебрежимо мал. В качестве стандартно-
ro донора они использовали антрацен, приняв для Hero (QJf)2 ===
=== 0,70. Результаты Паркера и Джойс приведены в табл. 30, из
которой видно, что для семи исследованных соединений сумма
(QJt + QJf) близка к единице.
Схема опыта чрезвычайно проста. В оптическую кювету (см.
раздел III, И, 2) помещают растворы, содержащие исследуемые
доноры при таких концентрациях, что оптические плотности при
длине ВОЛНЫ возбуждения одинаковЫ (например, 0,200), а так-
же равные количества перилена (например, 4 .10 5 М). Растворы
обезrаживают в вакууме, а затем сравнивают интенсивности
сенсибилизованной замедленной флуоресценции перилена, непо-
средственно получая отношение (lш) \/ (I DF) 2. Времена жизни
сенсиБИЛИЗ0ваннои замедленной флуоресценции двух растворов
Здесь вероятность р; та доля встреч, которая приводит к про
цессу (288), и введена она для Toro, чтобы принять во внима
ние возможность процесса
3D + 1 А ---? ID + 1 А Скорость == (1 р;) kc [3D] Р А]. (289)
Судьба акцептора определяется следующими процессами:
3А ---? IA Скорость === k j [3А],
.3A+3A---?IA*+IA ===Pc k cf3A]2,
IA* IA + hv'.
(290)
(291 )
(292)
При больших концентрациях акцептора 3D потребляется почти
исключительно только в процессах (288) и (289) и скорость об-
разования триплетов акцептора равна р;1 aQJf. При малых ско-
ростях поrлощения света скоростью бимолекулярноrо процесса
(291) можно пренебречь по сравнению со скоростью процесса
(290), и поэтому
p;laQJf === k j [3А] =..---:: [3A]/r,
(293)
rде 't время жизни триплета акцептора, равное удвоенному
времени жизни сенсибилизованной замедленной флуоресценции.
Следовательно, скорость испускания замедленной флуоресцен-
ции в процессах (291) и (292) Равна
J.. k [ 3 А ] 2 J.. k ( '1 D ) 2
.2 CPfPc с 2 QJfPc с Ре aQJt -r ,
(294)
rде <Р! эффективность быстрой флуоресценции акцепТора. Та-
ким образом, можно записать следующее выражение для отно-
UJения интенсивностей сенсибилизованной замедленной флуо-
ресценции, испускаемой двумя растворами, содержащими один
Таблица 30
Эффективности обраЗ0вания триплетов, полученные
на основе измерений замедленной флуоресценции
(1041
донор
'fit
'fif
I 'fit + 'fif
Антрацен [0,70] [0,30]
Аценафтен 0,45 0,39 0,84
Хризен 0,82 0,17 0,99
1 M етоксинафталин 0,46 0,53 0,99
Нафталин 0,71 0,21 0,92
Фенантрен 0,80 0,13 0,93
Пирен 0,27 0,72 0,99
Трифенилен 0,89 0,09 0,98
294
r ЛАВА IV
СПЕЦИАЛЬНЫЕ вОПРОСЫ И ПРИМЕНЕНИЕ
295
измеряют в отдельных опытах. Подстановка полученных данных
в уравнение (295) [(Ia) 1 == (Ia)2] дает искомое отношение
(<Рn/( <РР)2' Типичные спектры быстрой и замедленной флуорес
ценции приведены на рис. 116. Полное отсутствие замедленной
флуоресценции донора (кривая 3) свидетельствует о том, что
концентрация перилена в опыте была достаточна для Toro, что
бы почти Полностью потушить триплеты донора, и, следователь-
но, можно было применять уравнение (294). В с.rlучае доноров
'о!
t:S
:::
t:S
.......
ос>
6
<!j
"
в этом методе измеряется эффективность замедленной флуо
ресценции вещества, в данном случае перилена, сенсибилизован
ной подходящим донором (был взят антрацен), в растворах со
столь высокой концентрацией перилена, что триплетные моле-
кулы донора оказываются полностью потушенными. В этих ус-
ловиях скорость испускания сенсибилизованной замедленной
флуоресценции перилена (/DF) определяется уравнением (294)"
которое мы перепишем в виде
1
/ DF/ (<pr I а) === е s/<pr === 2" Р ekJ а (<ррт:)2, (296)
480 520
[де e s эффективность сенсибилизованной замедленной флуо:
ресценции, Ре вероятность образования сюtrлет возбужденнои
молекулы перилена при встрече двух триплетов перилена; вхо:
дящая в формулу (294) вероятность Ре предполаrается равнои
единице. За исключением Ре, все параметры, входящие в ypaB
нение (296), известны (<рр антрацена предполаrается равным
0,70) или же MorYT быть измерены, и, следовательно, из Hero
можно определить Ре. Значение Рс для перилена в трех paCTBO
рителях приведено в табл. 31. Затем этот параметр используется
при вычислении эффективности образования триплетов периле-
на из даннЫх по ero замедленной флуоресценции, возбуждаемой
Таблица 31
Сенсибилизоваиная замедлеииая флуоресценция перилена (113)
ДЛИllа вО.-lIlЫ.IIМ
Р н с. 116. Замедленная флуоресценция перилена, сенсибилизованная аценаф-
теном [104].
1 быстрая флуорееценu.ия при чувствительности Х3. имеющая полосы аценафтена (слева)
и перилена (справа); 2 замедленная флуоресценция прн чувствнтельности Х 150; 3 замед'
ленна>! флуоресценцня прн чувствнтельности Х1500, указывающая на полное тушение три'
плетов аценафтена. Скорость поrлощения света оКоло 10 6 эйнштейн/(л,с). Ширина
ПоЛОСЫ 10 им. Спектры искажеНbI вследствие самопоr лощения и НИ3Коrо разрешения.
I 1. 10' I (8/<Pf)'IO' 1:;' 103, с I Ре
Растворитель эйнш.fейн/(л' с)
Этанол 1,39 0,93 4,34 0,026
n.reKcaH 1,33 1,86 4,84 0,012
Циклоrексан 1,33 0,42 3,92 0,012
с крутой кривой спектра поrлощения в области возбуждения
основная поrрешность опыта определяется ошибками в измере-
нии оптической плотности раствора. Необходимо применять
монохроматический свет и измерять оптическую плотность, поль
зуясь тем же самЫм пучком света, которым возбуждается за
медленная флуоресценция.
Этот метод можно применять ко всем соединениям, триплет
ный урозень которых расположен над триплетным уровнем BЫ
бранноrо акцептора. Поскольку триплетный уровень перилена
лежит достаточно низко « 1,48 MKM l, см. раздел IV, Б, 4),
описанный метод приrоден для широкоrо Kpyra соединений.
Если же триплетный уровень исследуемоrо вещества располо
жен низко, как, например, у caMoro перилена, можно использо.
вать друrой метод [113].
При м е ч а 11 и е. Все растворы содержалн 10 5 М перилена И
5.10 5 М антрацена. Скорости поrлощения света (I а) относятся к антрацену
при 366 нм.
непосредственно *. Эффективность последней связана с эффек-
тивностью образования триплетов соотношением (138).
* в более поздней работе автора данной книrи [Chem. Phys. Letters, 6,
516 (1970)] отмечается, что множителЬ 1/2 введен в формулы (294) и (296)
по ошибке. Поэтому вычисленные с их помощЬЮ значения вероятности Ре
(см. табл. 31 и 33) оказались завышенными в два раза. Правильные значения
для перилена (табл. 31): 0,013, 0,006; 0,006. Эта ошибка не сказывается, oд
нако, на значениях эффективности образования триплетов <Pt (табл. 32 и
33). Прим. ред.
296
r ЛАВА IV
СПЕЦИАЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ И ПРИМЕНЕНИЕ
297
в табл. 32 приведены величины е/ср!, соответствующие измерен
ным значениям la, используя которые вместе со значениями Ре
(табл. 31), можно рассчитать эффективность образования три-
плетов перилена. Низкие значения этой величины соrласуются
с вЫсокой эффективностью флуоресценции пери,Т]ена (0,98 в бен-
золе), установленной Боуэном [182].
Б. ПАРАМЕТРЫ ТРИПЛЕтноrо СОСТОЯНИЯ
Таблица 32
Эффективность образования триплетов перилена [113]
1. Скорость интеркомбинацuонной конверсии Т 1 80
Суммарная скорость исчезновения триплетных молекул сла
rается из скоростей различных процессов, в которых эти моле-
кулы участвуют:
d [T]/dt (k p + k m + ke + kv + kq [q] + ko [80]) [Т] + ka [Т]2. (297)
Константа скорости тушения невозбужденными молекулами k G
часто мала, и скорость этоrо процесса можно снизить до прене-
брежимо низких значений, если работать в достаточно разбав
ленных растворах. Некоторые триплетные молекулы быстро
необратимо реаrируют с растворителем: константа скорости этои
реакции kv обычно доминирует, и, например, время жизни три:
плетноrо бензофенона в изопропиловом спирте при комнатнои
температуре меньше 10 7 с [107, 222]. Однако для некоторых три-
плетных молекул константой kv можно пренебречь. Ранние ис-
следования таких «нереакционноспособных» триплетных моле-
кул в жидких растворах методом импульсной абсорбционной
спектроскопии дали значения времени жизни триплетных моле
кул порядка 10 4 с, причем было установлено, что они сильно
зависят от вязкости. Во мноrих случаях эти выводы объясняют-
ся тем, что пренебреrали бимолекулярным триплет-триплетным
тушением, константа скорости KOToporo ka часто контролируется
диффузией: при типичнЫх для импульсных опытов KOHцeHTpa
циях триплетов бимолекулярная реакция идет со скоростью,
сравнимой с суммой скоростей процессов первоrо порядка или
превышающей ее. Фосфоресценцию же или замедленную флуо-
ресценцию в жидких растворах удается измерять при таких ско-
ростях поrлощения света, что бимолекулярным триплет-триплет-
ным тушением можно пренебречь, что является явным преиму
ществом с точки зрения исследования мономолекулярных
процессов исчезновения триплетов. При комнатной температуре
брутто-константы скорости этих процессов
kh kp+km+ke+kq[q] (298)
для мноrих «нереакционноспособных» триплетов в жидких рас-
творах имеют значения 102 103 с 1 (см. третью rрафутабл.33).
Обычно они уменьшаются с температурой, хотя хлорофилл а и
хлорофилл Ь, вероятно, являются исключением из правила [114,
223]. Пока еще не выяснено, какой вклад в составную константу
скорости вносит величина k т . Трудность состоит в. том, что TY
шение примесями часто контролируется диффузиеи (k q kc
1010 В таких растворителях, как эта нол или reKcaH) , поэтому
для Toro, чтобы время жизни было порядка 10 мс, концентрация
Растворитель I Ia' lO ', , (8Nf)'10' 'tf. 103, с I (jJf
эйиштейи/(л. с)
Эта нол 1,97 .2,1 4,34 0,0088
H.feKcaH 2,02 12,8 4,84 0,015
Циклоrексан 2,07 2,6 3,92 0,014
При м е ч а н н е. Все растворы содержалн 10 5 М перилена. Ско'
рости поrлощения света (I а) относятся к 436 нм.
Паркер и Джойс [114] определили описанным методом эф-
фективности образования триплетов для хлорофилла а и хлоро
филла Ь в этаноле, использовав в качестве донора антрацен или
нафталин. Им пришлось вводить поправки из-за малоrо вклада
замедлен.ной флуоресценции, возбуждаемой при непосредствен
ном поrлощении света хлорофиллом в растворах, содержащих
сенсибилизатор (подробные данные см. в ориrинальной статье).
Полученные результаты включены в табл. 33. Сумма (ср! + CJ!t)
заметно меньще единицы, что указывает на значительную роль
внутренней конверсии из электронно-возбужденноrо синrлетно
ro состояния. В этом отношении результаты Паркера и Джойс
отличаются от результатов Боуэрса и Портера [216], полученных
в эфирных растворах методом импульсной абсорбционной
спектроскопии.
6. Определение эффективности образованuя триплетов
на основе измерений фосфоресценции
Боркман и Кирнс [221] пред,Т]ожили способ приближенноrо
определения отношения CJ!t/BST, rде BST коэффициент поrаше
ния при некоторой длине волны, отвечающей прямому переходу
Т 1 80. Поскольку прямые измерения величины BST затруднены,
метод Боркмана и Кирнса нужно скорее рассматривать как спо-
соб определения именно этой величины для соединений, эффек-
ТИВНость СР! которых уже найдена друrими методами. Поэтому
этот метод рассматривается в разделе IV, Б, 5.. .
298
r ЛАВА IV
СПЕЦИАЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ И ПРИМЕНЕНИЕ
299
Таблица 33
Параметры триплетных СОСТОЯНИЙ в этаноле при комнатной температуре
(синrлетные энерrии оценены по коротковолновой rранице испускания)
пример информации, которая может быть получена из измере
ний фосфоресценции и замедленной флуоресценции типа Р, по-
этому мы рассмотрим ее несколько подробнее.
в
2,0
.:t 15
'
1,0
0,5
4 103fT
lО'Зjт
2,5
2,0
-'>::
:3' 1, 5
1,0
..
3,7 4,3 4,9 3,5 4 5
ш:Ут 10'Зjт
Соединенне Ет, 'С/' epf ер/, Р . I Es'
MKM l при 200 С, с MKM
мс
ТрифеНllлен 2,38 а 0,09 0,89 2,90
Фенантрен 2,21 а 2,0 0,13 0,80 0,05 2,87
Нафталин 2,12 а 3,6 0,21 0,71 0,56 3,16
Аценафтен 2,09 а 3,3 0,39 0,45 0,31 3,14
1 Метоксинафталин 2,10 а 5,5 0,53 0,46 0,35 3,05
Хризен 2,00 а 0,17 0,82 2,77
Флуорантен 1,86 а 8,5 0,21 0,79 r 0,04 r 2,46
Профлавин 1,71 6,1 0,40 0,60 r 0,0001 r 2,04
Пирен 1,69 а II 0,72 0,27 0,27 2,69
I,2-Бензантрацен 1,65 а 9,4 0,20 0,80 r 0,21 r 2,59
Акридин О 1,60 8,3 0,46 0,54 r 0,000 1 " 1,91
Антрацен 1,48 а 8,8 0,30 0,70 0,08 2,65
9-Метилантрацен 1,47 в 10 0,33 0,67 0,03 2,56
9, 10-Диметилантрацен 1,47 B 8 0,89 0,032 0,07 2,48
9-Фенилантрацен 1,47 B 15 0,49 0,47 0,05 2,54
9,IО-Дифенилантрацен < 1,47 в 22 0,89 0,024 0,13 2,48
> 1,26
Бенз-(а)-пирен 1,47 а 8,8 0,42 0,58 r 0,02 r 2,48
Эознн 1,42 1,5 0,45 1,80
Перилен 1,26 5,0 0,98 б 0,01 0,03 2,28
Хлорофилл Ь 1,14 1,5 0,10 0,50 0,06 1,50
Хлорофилл. а 0,99 0,8 0,23 0,24 0,10 1,49
OIC
3'
s'
а По фосфоресценцни прн 77 1<.
б В бензоле.
в ПО сенснбнлизацни антраценом н пернленом,
r Предполаrая, что epf + ep/ 1, а соответствующие значення Ре мннимальны.
· Значення Ре С,1едует уменьшнть в 2 раза (0,025 для фенантрена, 0,28 для нафталнна
н т. д.); см. примечанне на стр. 295. Прuм. ред.
тушителя [q] не должна превышать 1 O 8 М. Как было показано
в разделе 111, Н, 7, чтобы прямо доказать, что данный образец
высокочистоrо растворителя содержит такое количество ТУШа
щей пр меси, нужно приrотовить друrой образец растворителя,
которыи дает даже большее время жизни. Однако Стивенс и
Уокер [115] привели косвенные, но вполне убедительные доказа-
тельства Toro, что температурная зависимость скорости исчезно-
вения триплетов некоторых ароматических уrлеводородов в
жидком парафине обусловлена rлавным образом тушащими
примесями в растворителе или в исследуемом веществе. KOH
центрация примесей значительно превЫшала 10 8 М, так как
вязкость Жидкоrо парафина относите'lЬНО велика и COOTBeTCTBeH
но константа kc сравнительно мала. Эта работа дает прекрасный
Рис. 117. Зависимости констант скорости kh от температуры.в жидком па.
рафнне, полученные по фосфоресценции (.) н по замедленнои флуоресцен-
цИИ (О).
А а ц ена ф тен 1. 1 0 З М . Б пирен 3.10 2 М 1.10 2 М, 5.10 З М, 1'10 3 М; В I,2'бенз.
, , з' , 2 3
антрацен, 2.10 М; r флуорантен, 5.10 М, 5.10 М.
Стивенс и Уокер измеряли значенI1Я времени ЖI13НИ фосфо-
ресценции (т/) и замедленной флуоресценции типа Р ('tDF) рас-
творов аценафтена, пирена, 1,2 бензантрацена и флуорантена
300
СПЕЦИАЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ И ПРИМЕНЕНИЕ
301
r ЛАВА IV
в жидком парафине в широком интервале температур. В значи-
тельной части температурноrо интервала они смоrли зареrистри-
ровать оба типа испускания и обнаружили, что в этом диапазо
не время жизни замедленной флуоресценции составляет поло-
вину времени жизни фосфоресценции, как этоrо и требует
уравнение (140). При высокой температуре (т. е. при низкой
вязкости) фосфоресценция была слаба и времена жизни три
плетов были получены из экспериментально найденных времен
жизни замедленной флуоресценции типа Р (т. е. Т! == 2TDF).
При очень низких температурах слабой была замедленная флуо
ресценция и времена жизни триплетов были найдены непосред
ственно из времен жизни фосфоресценции. Результаты Стивен-
са и Уокера, представленные в виде зависимости величины
показывает, что в пирене присутствовала примесь по крайней
мере одноrо сорта, т. е. уравнение (302) следовало бы записать
так:
k h == kp + k m + 60 :Й ([qj] + [q2] ) ехр ( E/RT), (303)
Ig (k h ) === Ig (I/Tt) == Ig (I/2T ы)
(299)
rде [ql] и [q2] концентрации примесей, присутствующих в pac
творителе и в веществе. Стивенс и Уокер нашли, что [ql] COCTaB
ляла не менее 2. 10 7 М, а примесь к пирену не менее
10 4 моля на 1 моль.
Кривая' для бензантрацена (рис. 117, В) при низких и cpeд
них температурах похожа по форме на кривые для аценафтена
и пирена, однако при высоких температурах k h почти не зависит
от температуры. Для объяснения этой особенности авторы пред
положили, что разность триплетных энерrий ( E) бензантра
цена и тушащей примеси достаточно мала для Toro, чтобы при
высоких температурах перенос энерrии от триплета к синrлету
Mor идти в обоих направлениях (см. раздел II, В, 4 и рис. 29, В),
т. е.
от обратной температуры I/Т, показаны на рис. 117. Мы обсу-
дим эти результаты с точки зрения присутствия примесей в рас-
творителе или в исследуемом веществе.
При понижении температуры k h стремится к пределу k ,
который авторы приравняли следующей величине:
k == k p + k m , (300)
т. е. они предположили, что k m не зависит от температуры.
С ростом температуры k h увеличивается так же, как должно бы
возрастать контролируемое диффузией тушение примесями в ре-
зультате уменьшения вязкости растворителя [224], т. е. по закону
8RT
kc== 3000110 exp( E/RT), (301)
tде Е «энерrия активации» текучести растворителя (1/1']).
Следовательно, если пренебречь термической активацией
(ke[T]), то уравнение (298) можно переписать в следующей
форме:
kq
3B+lq + lB+3q,
k'
q
(304)
причем
k 1 kq == ехр ( E/RT).
(305)
8peRT
k h == kp + k m + 30001]0 [q] ехр ( E/RT),
(302)
Кинетический анализ показывает, что при таком механизме KOH
станта k h действительно становится постоянной в области
высоких температур и экспериментальные данные хорошо соrла-
суются с теорией, если принять, что триплетный уровень при-
меси на 1 3 ккал ниже триплета бензантрацена, а ее KOHцeHTpa
ция в последнем составляет 5 мол.%. Необходимость предпола-
raTb столь высокую концентрацию примеси является, вероятно,
rлавным возражением против такой интерпретации результатов,
так как можно ожидать, что присутствие примеси проявилось
бы .в спектре флуоресценции, замедленной флуоресценции или
фосфоресценции, а может быть даже и в спектре поrлощения.
Флуорантен (5. 10 2 М) ведет себя так же, как и бензантра-
цен, но в области более высоких температур k h резко возрастаЕ'Т
с увеличением температуры (рис. 117, т). Стивенс и Уокер
предположили, что в образце присутствует вторая тушащая
примесь с более высоким триплетным уровнем, чем У флуоран-
тена, т. е. имеет место расположение, показанное на рис. 29, r
(подробные данные см. в ориrинальной работе).
Работа Стивенса и Уокера представляет собой наиболее под-
робное фотолюминесцентное исследование влияния вязкости
и температуры; как мы видели, это сследование показа"'IО, что
rде Ре вероятность тушения ТРИflлета при ero встрече с моле.
кулой примеси. rрафик для аценафтена (рис. 117, А) можно
описать уравнением типа (302) с Е == 12,7 ккал, что близко
к энерrии активации текучести растворителя (11 + 2 ккал). Cдe
лав ряд допущений, Стивенс и Уокер нашли, что концентрация
тушащей примеси порядка 10 5 М (т. е. эквивалентна 1 мол. %
в веществе или 10 5 моля на 1 л растворителя).
Значения k h для пирена увеличивались с ростом концентра-
ции пирена, хотя при любой данной концентрации rрафик имел
Т<tКУЮ же форму, как и в случае аценафтена (рис. 117, Б). Это
302
r ЛАВА IV
рост ,k}, с температурой оБУСЛОRлен тушением примесью. Отсюда
можно сделать вывод о том, что изменение константы k m в за
висимости от температуры мало, по крайней мере по сравнению
с изменением kq[q]. Однако содержание примесей в этих опытах
было относительно высоким, поэтому крайне желательно про
вести подобное исследование с веществами и растворителями,
очищенными до максимально возможной степени. (Жидкий па-
рафин с этой точки зрения не очень удобен.) Число примесей,
способных тушить триплеты вещества, будет меньше, если это
вещество имеет низко расположенный триплетный уровень.
Таблu а 34 И если тушение примесью
Ц на самом деле является
Время жизни триплета дианиона ""
эозина [19) единственнои причинои тем-
пературноrо изменения k h ,
то это изменение должно
быть наименьшим в случае
веществ, в которых триплет-
ный уровень лежит очень
низко. Такими веществами
являются хлорофиллы а и Ь,
и для них значения k h , дей
ствительно, слабо зависят
от температуры [114, 223];
правда, эти значения дo
вольно выс.оки, И возможно, что нсзначительное влияние тушения
примесями частично обусловлено высоким значением суммы
(k p + k m ). Для соединений, у которых значения (k p + k m ) при
77 К малы (например, ароматические уrлеводороды), имеется
лишь оrраниченное число данных, относящихся к жидким pac
творам при комнатной температуре (см. табл. 33). Эти данные
указывают лишь на очень rрубую корреляцию между временем
жизни триплетноrо состояния и ero энерrией, как это и следо-
ва.по ожидать в том случае, если бы время жизни определялось
тушением примесями. К сожалению, для соединений с высокими
триплетами очень мало надежных данных об их временах жиз-
ни; это объясняется либо тем, что исследовавшиеся образцы да.
вали сенсибилизованную замедленную флуоресценцию при-
меси (как в случае трифенилена) , либо тем, что в этих условиях
триплеты не наблюдаются вовсе (бензол).
Паркер и Хатчард [19] измерили время жизни триплетноrо
состояния эозина при разных температурах в rлицерине и эrа-
ноле (табл. 34). С ростом температуры константа k h увеличива-
лась, однако при любой выбранной температуре, несмотря на
существенное различие вязкостей растворителей, константы дЛЯ
НI1Х различались не более чеы в два раза. Отсюда можно сделать
вывод, что в этих растворах тушение, контролируемое диффу-
Температура.
ос
Время ЖИЗНИ, МС
в rлицериие
в этано.пе
196
70
20
+25
+70
10,7
5,7
3,0
2,6
0,9
9,1
3,7
2,7
1,5
0,7
СПЕЦИАЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ И ПРИМЕНЕНИЕ
303
зией, вносило сравнительно небольшой вклад в значение kh: Воз-
можно, однако, что совпадение значений в двух растворителях
было случайным и что большая вязкость rлицерина компенсиро
валась более высоким содержанием в нем тушащих примесей.
Эту систему целесообразно исследовать более подробно.
2. Скорость интеркоJftбинационной конверсии 81 Т 1
Интеркомбинационная конверсия из нижнеrо триплетноrо со-
СТОЯllИЯ в первое электронно возбужденное синrлетное состояние
может происходить только после термической активации Т l на
более высокий колебательный уровень Т;, имеющий энерrию,
равную или большую, чем энерrия состояния 51. Поэтому она
наблюдается только для тех соединений, у которых Т l очень
близко к 51, например у таких красителей, как эозин или пр()
флавин (см. разделы I,B,4 иll,r,I). Константу скорости Прf)
цесса Т; 51 (k ga ) можно определить, если известны эффектив
ность фосфоресценции (срр), замедленной флуоресценции типа
Е(СРе) и образования триплетов (cpt), а также время жизни три-
плетноrо состояния (-t). Таких данных сейчас сравнительно мало.
Наиболее надежные из них относятся к эозину [19], который мы
и рассмотрим, чтобы проиллюстрировать принципы, лежащие
в основе методов определения скорости интеркомбинационной
конверсии.
Как было показано в разделе 11, r, 1, rрафик зависимости ве-
личины 1п (СРе/СРр) от обратной температуры представляет собой
прямую с отсечением, равным 'tRCPjA, rде 'tR излучательное вре-
мя жизни триплетноrо состояния, а А частотный фактор для
константы скорости
ke == А ехр ( /!...EjRT).
(306)
Значение А можно рассчитать из отсечения лоrарифмическоrо
rрафика (табл. 35). Важность значения А леrко понять, если
рассмотреть отдельные стадии процесса термической активации
из Т 1 в 51. Этот процесс включает заселение более высоких коле
бательных уровней (T ) триплетноrо состояния, за которым сле-
дует собственно интеркомбинационная конверсия:
)- . k ga
Tl+--Tl 51,
(307)
(308)
при этом
[T;]f[Tl] == ехр ( /!...EjRT).
Если предположить, что скорость установления термическоrо
· ( 12 1 )
равновесия между Т 1 и Тl ,...", 10 с rораздо больше, чем kfla,
304
r ЛАВА IV
СПЕЦИАЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ И ПРИМЕНЕНИЕ
305
Таблица 35
Интеркомбинационная конверсия для эозина
в rлицерине при комнатной температуре
qJf
qJt (l qJf)
qJp/T
т R qJt T /qJP
Отсечение лоrарифмическоrо rрафика
( т RqJfA)
kga(T; SI) A
0,45
0,55
4,8 c l
O,II с
В разбавленных растворах мноrих соединений замедленная
флуоресценция димеров [возбуждаемая в процессе (315)] незна:
чительна или пренебрежимо мала по сравнению с замедленнои
флуоресценцией мономеров. Поэтому квантовую эффективность
последней [см. уравнение (138)] удобно выразить через диффу-
зионную константу скорости (ke) и вероятность (Ре) возбуждения
синrлетноrо состояния при встрече двух триплетных молекул.
В этом случае уравнение (138) можно записать в следующем
виде:
0,5. 107
>1,0. 108 c l
26/qJf
Ре==
k/a( qJ t T )2 .
(316)
kga == А.
(310)
Величины 8/ер!, 1 а и 't измерить сравнительно леrко, константу
скорости ke можно вычислить из уравнения (80), а величину ept
определить одним из методов, обсуждавшихся в разделе IV, А.
По этим данным нетрудно рассчитать значения Ре для некоторых
триплетов в этаноле; они представлены в шестой rрафе табл..33.
Очень низкие значения для двух катионных соединении
профлавина и акридиновоrо оранжевоrо можно качественно
объяснить взаимным электростатическим отталкиванием, затруд
няющим сближение триплетов. Особенно интересно рассмотреть
значения ре для 9 и 9, 10 замещенных антраценов [179]. Если пе-
ренос энерrии от триплета к триплету требует непосредственноrо
сближения молекул и TaKoro их расположения, чтобы их плоско
сти И оси были параллельны, то следует ожидать, что стериче
ские затруднения, возникающие в результате замещ ния в поло-
жениях 9 и 10, будут уменьшать вероятность Ре.. Деиствительно,
введение заместителя в одно из этих положении уменьшает Be
личину Ре, однако для 9, IО-дизамещенных она снова возрастает.
Поэтому кажется вероятным, что перенос энерrии от триплета
к триплету в значительной мере идет на расстояниях, превы-
шающих расстояние встречи; по видимому, именно так и обстоит
дело в случае пирена (см. раздел IV, Д, 3). В связи с этим сле
дует отметить, что незамещенный антрацен образует устойчивые
фотодимеры (но дифенилантрацен фотодимеров не дает); обра-
зование устойчивоrо фотодимера может, следовательно, конку-
рировать с переносом энерrии от триплета к триплету и YMeHЬ
шать значение Ре для незамещенноrо антрацена, хотя даже по
слеД:НИЙ образует возбужденный димер при низкой температуре
[ 179].
Что касается остальных соединений, то для них трудно уста-
новить какую-либо корреляцию между Ре и друrими парамет-
рами триплетов. Если предположить, что для этих соединений
полная скорость триплет триплетноrо тушения близка к значе
нию, контролируемому диффузией, то величина Ре может быть
Т, (синrлет) l/k f
т (синrлет) qJfT, (синrлет)
kg (SI т:) qJt/T (синrлет)
3'10 9 С
1,4. 10 9 с
4.108c 1
то для скорости заселения состояния 51 путем перехода из co
стояния Т 1 можно записать
ke [Т 1 ] == k ga [T ] == k ga [TI] ехр ( t1E/RT), (309)
и, следовательно,
Вычисленное этим методом значение константы скорости k ga
приведено в табл. 35, rде указана также константа скорости kg,
найденная из эффективности БЫСТDОЙ флуоресценции и излуча-
тельноrо времени жизни синr летноrо состояния способом, опи
санным в предыдущем разделе. Можно отметить, что константы
скорости kga и kg процессов 51 +--- т; и 51 т: имеют оди-
наковый Порядок величины.
3. Вероятность пере носа энерzии от триплета
к триплету
В общем случае встреча двух триплетных молекул приводит
к образованию следующих продуктов (при условии, что нет
энерrети еских затруднений):
ЗА+ЗА IА.+ 1А,
lA+IA,
5A + lА,
>ЗА + ЗА,
1 .
> А2.
(311 )
(312)
(313)
(314)
(315)
СПЕЦИАЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ И nРИМЕНЕНИЕ
301
З06
r ЛАВА IV
выражена через скорости реакций (311) (315), а именно
Ре === kзlI/(k ЗlI + k312 + k313 + k Зl4 + k 315 ). (317)
Очевидно, что определенный вклад в возбуждение замедленной
флуоресценции будет вносить реакция (313), за которой сле
дует процесс
при использованыи этанола в качестве растворителя, приведеНLl
во второй rрафе табл. 33, а триплетные энерrии, найденные дру-
rими авторами, в табл. 37.
Таблица 36
Триплетные энерrии, измеренные по фосфоресценции
в уrлеводородных растворителях при 77 I( [225)
5A IA',
(318)
а также диссоциация возбужденноrо димера, получающеrося 13
результате процесса (315). Таким образо!\!, с учетом этих процес
сов значение Ре может оказаться больше, чем в их отсутствие.
Для некоторых соединений, например для нафталина, из урав-
ненИя (316) получаются высокие значения Ре. Можно дать два
различ.ных объяснения этой особенности. Можно предположить,
что деиствительно высока '3ероятность Ре, определяемая уравне-
нием (317), или что эффекти ная константа скорости бимолеку-
лярноrо триплет триплетноrо тушения существенно выше рассчи
танной из уравнения (80), т. <\'. значительная доля процессов пе-
реноса энерrии от триплета к триплету происходит на расстоя
ниях, превышающих расстояния встречи. Этот вопрос можно
было бы решить путем точных измерений полной скорости три-
плет триплетноrо тушения, например методом импульсной аб-
сорбционной спектроскопии.
Соедннение
I M lll
Соединение
I Вт.
MKM I.
П
К
А
ропиофенон 2,61 Фенилrлиоксаль 2,19
сантон 2,60 Антрахинон 2,18
цетофенон 2,'58 Фенантрен 2,18
1,3,5 Триацетилбензол 2,57 а-Н афтофлаВО!l 2,18
ИзобутирофеНО!l 2,56 Флавон 2,17
1, З ДифенилпропаНCJн 2 2,53 Этилфе!lилrлиоксалат 2,17
Бензальдеrид. 2,52 4,4'-бuс-(ДиметилаМIIНО ) бензо 2,14
Трифенилметилфенилкетон 2,48 фенон 2,13
Карбазол 2,45 Нафталин
Окись дифенилена 2,45 Нафтилфенилкетон 2,09
Трифениламин 2,45 Нафтальдеrид 2,08
Дибензотиофен 2,44 Ацетонафтон 2,08
о,Дибензоилбензол 2,41 а- Нафтилфеrшлкетон 2,01
Бензофенон 2,40 а-Ацетонафтон 1,97
44' Дихлорбензофенон 2,38 а- Нафтальдеrид 1,97
п-Диацетилбензол 2,37 5. 12 Нафтаценхинон 1,95
Флуорен 2,37 Диацетил 1,92
9 Бензоилфлуорен 2,34 Ацетилпропионил 1,92
Трифенилен 2,33 Бензил 1,88
п Цианбеllзофенон 2,32 Флуоренон 1,87
Тиоксантон 2,29 Пирен 1,70
4. Определение энеРlии триплеТНОlО состояния
Прост йшим способом определения энерrии триплетноrо со-
стояния является измерение спектра фосфоресценции в твердом
растворе при низкой температуре. С достаточной точностью за
энерrию триплетноrо соСтояния можно принять волновое число
О О полосы (cTporo rоворя, она равна среднему волновых чисел
О-О-полос поrлощения и испускания). Этот способ можно приме-
нить дл любот'о соединения, имеющеrо в указанных условиях
Зdме:.ныи выход фосфоресценции, при условии, что коротковол
новыи предел испускания лежит в области чувствительности
спектрофосфориметра. Здесь уместно сделать два предостереже
ния. Во-первых, О О полосу иноrда леrко спутать с 0 1-полосой
поскольку первая для некоторых СОGдинений rораздо слабее BTO
рой. BO TOPЫX, для соединений со слабой фосфоресценцией
чрезвычаино серьезным является вопрос их чистоты: если имеет
ся примесr-. с сильной фосфоресценцией, спектр испускания кото-
рой лежит в коротковолновой области испускания исследуемоrо
вещества, то испускание при меси может быть ошибочно принято
за О О-ПОЛQСУ.
Хаммонд и сотр. [225] измерили данным методом энерrию три-
плетноrо состояния 41 орrаническоrо соединения в уrлеводород
ПЫХ растворителях (табл. 36). Некоторые значения, получеНные
Для ряда важных соединений метод измерения фосфорес!!ен-
ции при 77 К неприменим либо вследствие слишком низкои ее
эффективности, либо потому, что она расположена в инфракрас-
ной области спектра, [де спектрофосфориметры нечувствительны.
Для таких веществ триплетные энерrии можно получить из изме-
рений замедленной флуоресценции типа Е или Р. Например,
хлороф лл а и хлорофилл Ь в пропиленrликоле при умеренных
скоростях поrлощения света испускают только замедленную
фЛУQресценцию типа Е [114], и измерения зависимости ее эффек-
тивности и времени жизни от температуры дают все необходи-
мые данные для вычисления разности энерrий (dE) между три-
плетным и первым возбужденным синrлетныМ уровнями. Эф
фективноСТЬ замедленной флуоресценции типа Е выражается
уравнением (123), которое можно записать в виде
СРе/СР, === TRCPpA ехр ( dE/RT) (319)
или, подставив в Hero СРр из формулы (103),
СРе/(щr):=: CPt A ехр ( dE/RT). (320)
:::!'
:::!
'"
IC
.....
. . I
N :>;
Щ '"
:>;
==
==
..
е:>.
CI)
=.
'"
CI)
::!
i:
CI)
=:
f:
"'",
'" ....
. I
h :>!
Щ '"
:>!
.\,,,,
"'""
СПЕЦИАЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ И ПРИМЕНЕНИЕ
309
==
OJ
::r
'"
== с:>.
== Е-
;
Е-< == со
-е. iiJ
"1 ==
е iiJ 1::( 15-
i&1 t
ь ь q
Следовательно, если в рассматриваемом интервале температур
эффективность образования триплетов qJt постоянна, то rрафик
зависимости величины ln[CPe/(tCPj)] от обратной температуры бу-
дет прямой линией с наклоном /).E/R. Паркер и Джойс [114] ПОk
твердили это на опыте; из своих данных они определили /).Е и,
зяв известные значения синrлетной энерrии (рассчитанные по
максимумам в спектрах поrлощения и быстрой флуоресценции),
вычислили энерrии триплетных состоянИй хлорофилла а и хло
рофилла Ь, приведенные во второй rрафе табл. 33.
Нужно отметить, что растворы хлорофилла испускают замед-
ленную флуоресценцию обоих типов Е и Р [114]: первая доми
нирует при низких скоростях поrлощения света в ВЯЗКИх раство-
рителях (пропиленr ликоль) , вторая при высоких скоростях
в менее вязких растворителях (эта нол) . Интересно также, что
фото возбуждаемая замедленная флуоресценция (вероятно, хло-
рофилла а) испускается живыми листьями мноrих растений [229].
Паркер и Джойс [229] полаrают, что это замедленная флуорес-
ценция типа Е молекул хлорофилла, находящихся в тех центрах
фотосинтеТf\ческих единиц, в которых реакции с субстратом за-
труднены.
В общем случае триплетную энерrию соединения можно оп-
ределить по известным триплетным энерrиям двух друrих, «проб-
ных» соединений. Если для одноrо из «пробных» соединений ис-
следуемое соединение служит донором (например, если оно мо-
жет сенсибилизировать замедленную флуоресценцию типа Р
«пробноrо» вещества), а для друrоrо акцептором, то ero три-
плетная энерrия должна лежать между триплетными энерrиями
этих двух «пробных» соединений (см. раздел II, r, 5). Такую се-
лективную сенсибилизацию замедленной флуоресценции типа Р
наблюдали для ряда ароматических уrлеводородов с сенсибили-
заторами профлавином, акридиновым оранжевым и эозином
[11 О] * .
gg 8 338
<='-I '..'... ..
'"
'"
'"
'"
'"
'"
'"
о
U
==
==
"1 ==;;:
'" == е "1
Е- == :s:: '"
l..
== "1 '" '"
"1 == ==
t-e.
OJ '" '" "1
:r: :r: ><:
Ье6..ЬЬ
==
== ==
Е- '"
t
== '"
ь ь
11:
==
::;!
'"
"1
'" ==
Е- Е-
е .е.
"1 '"
t) ==
еЬ..
:s:: t>:
co:j :=
'" == Е-
3 3 '15
Е- Е-< Е- :s::
-e..e.-e.1::(
C'\:I C'\:I C'\:I .
:r: :r: :r: z
bca.bZ
'"
Е-
е
"1
t)
==
:.:: ==
t>: е
'" ==
== t..
':S:: '" "1
е е :s::
Е- Е-< Е-<
-e.-e.
'" '" '"
:r: :r: ==
ca.ca.1::(
= = с о S
'"
'"
'"
'"
"'
'"
'"
о
U
"1 "1 "1
е е "1 е
gJ riig]
OJ е OJ ==
f-<e.<
'"
Е-
е
"1
t)
==
== :.::
е t>:
== '"
JI: JI:
'" -= :s::
е е "1
со со ==
iiJ iiJ ==
<
==
е
==
-=
==
== == ==
CI) :s:: ==
с:>. "1 "1
.e е
"1
е. ><: ><:
::<:
е
':s::
:s::
==
е
::;!
::.
'"
"1
О
-е.
':: '"
== if
; са.
::.
::. ==
'" Е-
Е- :s::
t:;t'
:r: z
ca.Z
== == ==
== == :s:: ==
Е- Е- Е- '"
"I t
е == == == '"
t
"'c:>.E-о;е
:r: е. ><: :s:
rЬ..cЬ.,ьcЬ..cb..
* На принципе использования «пробных» соединений (сенсибилизаторов)
с известными триплетными энерrиями основан весьма простой и изящный,
хотя и косвенный, метод Ульмана и сотр. [Ullmaп Е. Р., J. Аm. Chem. Soc.,
86, 5357 (1964); Ullmaп Е. Р., Heпdersoп W. А., J. Аm. Chem. Soc., 89, 4390
(1967)], приrодный для оценки энерrий триплетных состояний, имеющих вре-
мена жизни короче 10 1 и энерrии меньше 64 ккал/моль. Пр 'и фотосенсиби,
лизированном окислении соединения 1 устанавливается фотостационарное со-
C 6 H S
т9
C6H'
о
1
310
r ЛАВА IУ
СПЕЦИАЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ И ПРИМЕНЕНИЕ
311
Несколько иной способ был использован для оценки положе
ния триплетноrо уровня перилена [113]. При прямом возбужде-
нии этоrо соединения наблюдается слабая замедленная флуо-
ресценция типа Р, и, следовательно, ero триплетная энерrия
должна быть по крайней мере не меньше Половины энерrии синr-
летноrо возбужденноrо состояния, т. е. 1,14 MKM 1 (см. раздел
I1, r, 5). Замедленная флуоресценция типа Р сильно сенсибили-
зуется антраценом, и, следовательно, трИплетная энерrия пери-
лена должна быть меньше 1,48 MKM 1 Указанные пределы соrла-
суются с рассчитанным значением [230], которое приведено
в табл. 33.
порционально 8тв, т. е. спектр возбуждения фосфоресценции бу-
дет повторять по форме спектр Тl +-- 50 поrлощения.
Рассмотрим теперь спектр фосфоресценции, возбуждаемый
в пределах полосы 51 +--- 50 поrлощения, ЩIЯ которой коэффи
циент поrашения равен 8вв, концентрация равна Свв, а интенсив
ность возбуждающеrо света ! вв. И в этом случае измеряемая
интенсивность фосфоресценции (РВВ) будет определяться урав-
нением, аналоrичным уравнению (21), а именно
Pss === W!SS8SSCSSCPP'
(322)
5. Данные о триплетах, определяемые по Т[ 80.
возбуждению
МЫ видели (раздел 1, В, 1), что для триплетных молекул, со-
держащих леrкие атомы, вероятность Т 1 50 перехода чрезвы-
чайно мала. Соответствующие коэффициенты поrашения (8ТВ)
поэтому тоже очень малы и измерить их трудно. Однако 8тв
можно увеличить, если ввести в молекулу тяжелые атомы [226]
или взять растворители, содержащие тяжелые атомы [218]; такое
влияние растворителя можно использовать, чтобы облеrчить из-
мерения спектров триплет-синrлетноrо поrлощения [231, 232].
Иной метод определения спектра триплет синrлетноrо поrло-
щения применили Кирнс и сотр. [221,233]. Этот метод состоит
в измерелии спектра возбуждения фосфоресценции в тех обла-
стях длин волн, [де раСположены спе:пры как Тl +--- 50 , так и
51 +--- 50 поr лощения, в результате чеrо получаются данные, из
которых можно рассчитать отношение CPt!8TS. Рассмотрим этот
метод несколько подробнее.
Пусть етв это коэффициент поrашения вещества в Преде
лах полосы триплет синrлетноrо поrлощения, а !тв интенсив
ность возбуждающеrо света в области этой полосы. Нетрудно
ПОfа ать [см. выв?д формулы (21) в разделе I1, В, 2), что при
м .лои оптическои плотности реrистрируемую интенсивность
фосфоресценции Р тв можно записать в виде
Prs === w!rs 8 rs C rsCPp!CPt, (321)
[де w . Постоянная прибора, а Ств концентрация вещества
при которой измеряется спектр возбуждения фосфоресценции:
Если при изменении длины волны возбуждающеrо света ero
квантовая интенсивность остается ПОСТоянной, то Р тв будет про-
Из уравнений (321) и (322) получаем
qJt Ps/rsCrs
8 rs Prs I sscsse ss .
(323)
Все величины из правой части уравнения (323) леrко опреде
ляются. Поэтому, если независимым методом можно определить
.JPt, то можно рассчитать и 8тв. На практике знаuчения Свв и CT
следует выбирать так, чтобы при получающеися оптическои
плотности можно было пренебречь эффектом BHYTpeHHero
фильтра; концентрация Свв при этом должна быть низкой, од-
нако, чтобы получить измеримые значения Р тв , нужно взять
очень высокие значения Ств.
Эффективность фосфоресценции в жидких растворах слиш-
ком мала для Toro, чтобы применить этот метод. При этих ус-
ловиях часто rораздо интенсивнее замедленная флуоресценция
типа Р. В принципе ее можно возбудить светом, поrлощаеМЫl\I
в пределах триплет синrлетной полосы, а зависимость ее интен
сивности от длины волны возбуждающеrо света использовать
для определения спектра триплет-синrлетноrо поrлощения. По
скольку интенсивноСТЬ замедленной флуоресценции типа Р про
порциональна квадрату интенсивности поrлощения, то эквива
ленто м уравнения (323) будет следующее выражение:
( qJt ) 2 (1 DF)SS [ Irscrs'trs ] 2 (324)
e rs == (JDP)rs Isscss'tssess '
[де ! DF И 't (с соответствующими индексами) пре!LставляIOТ co
бой интенсивности и времена жизни замедленнои флуоресцен-
ции типа Р при Т l +--- 50 и 51 +--- 50-возбуждении и при концен-
трациях вещества Ств и Свв соот!3етственНо. Насколько известно
автору, в жидких растворах такие измерения пока еще не про-
водились, но Авакян и сотр. [234] измерили спектр триплет-
синrлетноrо возбуждения замедленноЙ флуоресценции криста,JJ-
лическоrо антрапена.
стояние и определенная окраска раствора, определяемая стационарной кон'
центрацией промежуточноrо продукта. Исследуемое вещество изменяет или
H изменяет окраску в зависимости от Toro, расположен ero триплетный ypo
вень ниже или выше триплетноrо уровня сенсибилизатора. Прuм. ред.
312
rЛАВА IV
СПЕЦИАЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ И приМЕНЕНИЕ
313
В. ХИМИЧЕСКОЕ РАВНОВЕСИЕ В ВОЗБУЖДЕННОМ СОСТОЯНИИ
1. Общие nри1lциnы
Химические соединения отличаются друr от друrа хиМиче-
скими и физическими свойствами, которые определяются rлав-
ным образом орбитальным распределением электронов. По-
этому uмолекулу, находящуюся в одном из возбужденных co
стоянии, можно рассматривать как некое новое соединение
полностью отли;,ное от молекулы в основном состоянии, т. е. Ka
«метастабильныи изомер» невозбужденной молекулы который
от обычноrо изомера отличается тем, что в темноте 'при COOT
ветствующих условиях последний может существовать неопре
деленно долrо. Эта новая молекула может испытывать целый
ря химических превращений, невозможных для невозбужден-
нои молекулы, которые обычно называют «фотохимическими
реакциями» молекул в основном состоянии. Она может также
вступ ть в такие реакции, которые характерны и для невозбуж-
деннои молекулы; если эти реакции обратимы, то следует ожи
дать, что константы равновесия будут разными в основном и
в электронно во бужденном состоянии. В этом разделе мы pac
смотрим важныи класс таких реакций, а именно протолитиче-
ское равновесие.
Рассмотрим равновесие между кислотой RH и сопряженным
основанием R , для KOToporo рК в основном состоянии равно 7:
RH + Н 2 О R + НзО+, (325)
а рК в электронно возбужденном состоянии (рК*) равно 3:
(RН)* + H20 (R )* + НзО+. (326)
Допустим, что RH uи R имеют арактеристичные спектры по
rлощения в видимои или ближнеи ультрафиолетовой области и
испускают характеристичные полосы флуоресценции, каждая
из которых расположена непосредственно с длинноволновой
стороны соответствующеrо спектра поrлощения. В сильноще-
лочном растворе будет присутствовать только R и в результате
возбуждения появится только флуоресценция, обусловленная
переходом
(R )* R + hv'. (327)
В сильнокислом растворе (рН 3) будет существовать только
RH и раствор будет испускать только вторую полосу флуорес
ценции, отвечающую переходу
(RH)* RH + hv. (328)
В промежуточном случае, например при рН 5, в темноте будет
присутствовать практически только RH и при возбуждении по-
лучится (RH) *. При этом значении рН (RH) * будет стремиться
диссоциировать, и поэтому мы вправе ожидать появления по
лосы флуоресценции R , возникающей в результате диссоциации
возбужденноrо состояния
(RН)* + Н 2 О (R )* + НзО+, (329)
и следующеrо процесс а (327). Для Toro чтобы при рН 5 наблю-
далась заметная флуоресценция (R ) *, должны быть ВЫПОk
ненЫ еще два условия:
а) При отщеплении протона от (RH) * не должна теряться
энерrия электронноrо возбуждения, т. е. процесс (329) должен
быть достаточно быстрым для Toro, чтобы конкурировать с дис-
социацией, дающей молекулы в основном состоянии:
(RН)* + Н 2 О R + НзО+ + Тепло. (330)
б) Процесс (329) должен быть достаточно быстрым ДJ1Я
Toro, чтобы конкурировать с идущими по первому порядку про-
цессами излучательной и безызлучательной конверсии (RH) *
в основное состояние, т. е.
k (диссоциация) 1/'t', (331)
[де 't' время жизни (RH) *.
Оба эти условия выполняются для мноrих флуоресцирующих
систем протолитических реакций, хотя часто равновесие в элек
тронно возбужденном состоянии не успевает установиться nол
1l0СТЬЮ перед испусканием флуоресценции.
«Аномальную» флуоресценцию, обусловленную протолитиче
ской диссоциацией, впервые наблюдал Вебер [235]. ОН обнару-
жил, что флуоресценция l нафтиламин 4-сульфоната в нейтраль-
ном растворе сине-фиолетовая, а при переходе к сильнощелоч-
ному раствору становится зеленой, хотя никаких изменений
спектра поrлощения при этом не происходит. Это явление 0бъяс
нил Фёрстер [236], который на примере растворов сульфонатов
окси- и аминопирена впервые доказал существование диссоциа-
ции в возбужденном состоянии. Затем он получил подобные же
результаты с производными нафталина [237, 238], и здесь pac
сматриваются два соединения этоrо типа, которые отличаются
друr от друrа тем, что для одноrо из них перед испусканием
флуоресценции успевает установиться равновесие в возбужден-
ном состоянии, а для друrоrо не успевает.
В основном состоянии нафтиламин имеет рК 4,07, COOTBeT
ствующее равновесию
NpNH; + Н 2 О NpNH 2 + Нз О +, (332)
и, следовательно, при рН > 6 он находится практически только
в форме свободноrо основания N pNH 2 , которому принадлежит
314
r ЛАВА !V
СПЕЦИАЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ И ПРИМЕНЕНИЕ
315
полоса фиолетовой флуоресценции с максимумом при 420 нм
(рис. 118, кривая 1). Эта же самая ПО.'Iоса появляется и при
рН 2 (рис. 118, кривая 2), т. е. в условиях, коrда раствор coдep
жит преимущественно протонированные молекулы, так как рН
на две единицы меньше, чем рк. Очевидно, что после возбужде
ния NpNHi диссоциирует; следовательно, рК в возбужденном
состоянии должно быть значительно меньше двух. Флуоресцен
ция нафтиламмоний иона лежит в ультрафиолетовой области,
'"
с:> с:>
М /(1 4
" : :
57 \ f/ "
I \: f \
/ .... . 2 "" 3
9
8
не существуют в основном состоянии, однако появление их xa
paKTepHoro испускания rоворит о том, что они образуются в
электронно возбужденном состоянии
(NpNH 2 )* + OH (NpNH )' + Н 2 О. (333)
Эти представления подтверждаются тем, что аналоrичные из
менения спектра флуоресценции наблюдаются в щелочном рас-
творе N метил нафтиламина, но не N,N диметил -нафтилами
на, у KOToporo нет протона.
Фёрстер установил, что и в случае фенолов кислотность уве-
личивается при возбуждении, однако для этих соединениЙ CKO
рости реакций обычно недостаточно велики для Toro, чтобы
равновесие установилось до осуществления излучательной или
безызлучательной дезактивации электронно возбужденных со-
стояний. Поэтому завиСИМОСТЬ спектров флуоресценции от рН
определяется как значением рК* для равновесия в электронно-
возбужденном состоянии, так и скоростями реакций. Например,
в случае нафтола при рН 13 в системе имеются только нафто
лат ионы в основном состоянии, которые дают синюю флуорес-
ценцию, обусловленную (NpO ) * (рис. 118, кривая 6). При рН О
присутствует только недиссоциированный нафтол и наблю
дается только фиолетовая флуоресценция (NpOH) * (рис. 118,
кривая 9). Значение рК для равновесия в основном состоянии
NpOH + Н 2 О NpO + НзО+ (334)
составляет 9,6, и если бы равновесие в возбужденном состоянии
успевало установиться полностью, то переход от синей флуо-
ресценции (NpO ) * к фиолетовой флуоресценции (NpOH) * дол
жен был бы происходить В узком диапазоне изменения рН
(в пределах четырех единиц рН от 1 до 99 % каждой формы)
в некоторой точке между рН 13 и О. в действительности же оба
типа флуоресценции присутствуют в широком диапазоне рН
от значений больше 9 (рис. 118, кривая 7) до значений мень-
ше 3 (рис. 118, кривая 8). Объясняется это тем, что в растворе
с промежуточным рН (......, 6) возбудившиеся молекулы (NpOH) *
начинают ионизоваться, однако еще до Toro, как этот ПрО!lесс
осуществится полностью, оставшиеся молекулы (NpOH) * поз-
вращаются в основное состояние с испусканием своей харак-
терной флуоресценции. В возбужденном состоянии рК* около з
и при рН меньше этоrо значения равновесие в возбужденном
состоянии сдвиrается в сторону (N рОН) *, а при рН < 1,0 синяя
флуоресценция (NpO ) * практически отсутствует.
2. Связь между спе«трами и «инстантами равновесия
В разделе 1, Б, 3 было показано, что молекула сразу же
после О О перехода в поrлощении релаксирует в состояние Не'
сколько меньшей энерrии, соответствующее устойчивой конфи'
ч"')
<::;)
Рис. 118. ЗаВИСЮ10СТЬ от рН спектров испускания флуоресценции paCTBO
ров нафтиламина (слева) и -нафтола (справа) [238].
1 5 j3-иафтиламии при рН 9, 2, 1,5, 5 и 14; 6 9 j3 иафтол при рН 13, 9, 3 и О.
т. е. при несколько больших длинах волн, чем ero поrлощение, и,
чтобы наб'людать ее при полном отсутствии синей флуоресцен
ции свободноrо основания, Фёрстеру пришлось взять очень кис
лЫе растворы, такие, что им соответствовали отрицательные
значения рН (по шка.'Iе кислотности raMMeTa) (см. рис. 118,
кривая 4). Переход от «OcHoBHoro» спектра к «кислотному» при
изменении рН очень резкий, и это указывает, что в возбужден
нам состояНии равновесие устанавлИ)зается почти полностью,
прежде чем обе формы испустят флуоресценцию. Значение рН
в точке перехода (рис. 118, кривая 3), т. е. рК* для равновесия
в электронно возбужденном состоянии, было около 1,5. Таким
образом, рК* на 5 6 единиц меньше, чем рК, следовательно,
в возбужденном состоянии NpNHt является rораздо более
сильной кислотой.
Фёрстер обнаРУЖlJЛ, что при переходе к сильнощелочному
раствору (рН 14) наблюдаются дальнейшие изМенения спектра
флуоресценции и в нем появляется зеленая полоса (рис. 118,
кривая 5), хотя спектр поr.l0щения остается таким же, как и
при рН 9. Та же зеленая флуоресценция испускается и раство-
рами нафтиламина в жидком аммиаке, содержащими амид
натрия, т. е. в такой системе, rде анионы -нафтиламина обра-
зуются в результате ионизации. В водных растворах эти ионы
316
r ЛАВА IV
СПЕЦИАЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ И ПРИМЕНЕНИЕ
317
rурации в низшем колебательном состоянии возбужденноrо
электронноrо состояния. Такая же релаксация происходит и
сразу после О О перехода, отвечающеrо испусканию флуорес-
ценции. В р зультате этих процессов релаксации разность энер-
rий устойчивых конфиrураций OCHoBHoro и первоrо возбужден-
Horo состояний (т. е. уровней а и с на рис. 4) оказывается не
сколько меньше, чем hv для поrлощения, но больше, чем hv
для испускания, и наилучшим определяемым значением энерrии
первоrо элеКТРОЮIO возбужденноrо синrлеТНОI'О состояния яв
ляется среднее между этими двумя значениями, т. е.
1
Es ==="2 (hVabs + hVem). (335)
или при 200 с:
рК* === рК 21,4 (L'1v). (340)
Далее, вместо значения tlv с хорошим приближением можно
взять разность максимумов послощенuя (или флуоресценции)
кислой и щелочной форм, и, таким образом, значения рК* мож-
но приблизительно рассчитать только из данных по поrлощению.
Из уравнения (340) следует прос ое правило: сдвиr спектре
при переходе от кислой к щелочнои форме на 0,1 мкм в сторо-
ну меньших волновых чисел соответствует снижению примерно
на 2 единицы значения рК для диссоциации кислой формы.
Значения рК*, определенные как по уравнению (340), так и
по зависимости спектров флуоресценции от рН, приведены в
табл. 38. Хорошее совпадение указывает на правильность пред-
Положения о том, что энтропии реакции в основном и в воз-
бужденном состояниях одинаковы.
Таблица 38
в тех случаях, Коrда полосы поrлощения и испускания не обла
дают колебательной структурой, определить положение О-О пе-
R * + + реходов невозможно, но формулу (335)
. Т ( ) н можно Использовать для нахождения Es,
(RH)* L1f* еслИ за hVabs и hVem принять положения
Т максимумов в спектрах. Используя эти зна-
Ez чения Ев, можно, как это впервые сделал
' Фёрстер [236], построить схему энерrетиче
Е: .......l...... ских уровней для систем, в которых суще-
' t R-+H. ствует равновесие как в основном, так и в
.....l..... Af возбужденном Состояниях (рис. 119). Cxe
ма относится к такому случаю, коrда в воз
бужденном состоянии молярная энтальпия
(tlя*) реакции больше, чем в основном
состоянии (tlя). Соединением TaKoro типа
является, например, -нафтол; при меры об
paTHoro соотношения будут рассмотрены несколько ПОЗДНее. Из
схемы рис. 119 видно, что
Е, Е 2 == tlя tlя*.
Константы диссоциации кислот (рК*) в нижнем
электронно возбужденном синrлетном состоянии
рК*
Кислота
рК
по разио-
сти
спектро-
скопиче
ской
эиерrии
по измеие- Литера-
ииям тура
спектра
флуорес'
цеиции
RH
Рис. 119. Уровни
энерrии кислой и
основной форм.
(336)
Фенол 10,0 5,7 239
а,Нафтол 9,23 2,0 2,5 240
Нафтол 9,46 2,5 2,81 240
2-Нафтол-5 сульфонат 9,18 0,53 0,73 241
2-Нафтол-6 сульфонат 9,10 1,6 1,66 240
1,2- Нафталиндиол 8,1 а 2,4 242
1,5 Нафталиндиол 8,1 а 2,9 242
1,7-НафтаЛIIНДИОЛ 10,3 а 3,1 242
1,8-Нафталиндиол 9,8 а 2,9 242
2,3 Нафталиндиол 9,9 а 3,2 242
2,6-Нафталиндиол 9,3 а 3,4 242
2,7-Нафталиндиол 9,2 а 2,5 242
3-0ксипирен 5,8, 1 О три 7,30 1,0 1,38 240
сульфонат 13,90 6,7 6,9 241
3- Ацетиламинопирен
,5,8,10-трисульфонат 5,45 10,3 10,65 243
Катион акридиния
КаТИОН нафтойной 6,9 o 238
кислоты 14 238
I3 Нафтиламин » 14
Катион нафтиламина 4,07 1,5 238
Это выражение правильно, разумеется, при любых tlH и tlя*:
положительных, отрицательных или равных Нулю. Если мы
предположим, что энтропия реакции в основном и в возбужден-
ном состояниях одинакова (это подтверждается на опыте), и
примем во внимание, что
-tlG =--= tlя Т tlS === RT 'П К, (337)
/
то получим
Еl Е 2 Nh ( v)
Ig (К*jК) === 2, T 2,ЗRТ ' (338)
Подставив значение постоянной Планка и выразив волновое
ЧИСло в обратных микронах, получим
рК* === рК 6,25 10 З (tlv) (339)
а Рассчитано по данным четвертой rрафы и спектроскопическому
значению рК рК*.
318
r ЛАВА IV
3. Зависимость интенсивности флуоресценции от р Н
Следствия из уравнений (336) и (339) и рис. 119 стоит об
судить подробнее. ВО Первых, очевидно, что в спектре поrлоще
ния при б6льшuх длинах
волн будет появляться
полоса той формы, KOTO
рая более устойчива в
возбужденном состоянии.
Поэтому всеrда можно
подобрать для возбужде
ния такую длину волны,
которая будет возбуждать
только эту форму (Ha
при мер, R на рис. 119).
Из данных табл. 38 вид-
но, что снижение рК при
возбуждении часто дости-
raeT 6 8 единиц рН. При
всех значениях рН, при
которых в растворе содер-
жится заметное количе
ство R , равновесное
значение отношения
[RН]*/[R ]* в возбужден
ном состоянии будет пре-
не6режимо мало, т. е.
при возбуждении в ПОЛо-
се длинноволновой формы
будет возникать флуорес-
ценция только этой фор-
мы. В разбавленном pac
творе интенсивность флу
оресценции будет пропор-
циональна концентрации
данной формы (т. е. rR ]
в примере, показанном на
рис. 119), и, следователь
но, измерения этой флуо
ресценuии можно исполь-
зовать для определения
рК в основном СОСТОЯПИII.
Влияние рН на интен
сивности флуоресценции
основной и кислой форм
Показано на рис. 120. Кри-
о
Значение
рк' Б
12
А
'"
$;
-",'"
'
Б
...
в
с"
\
\/5
\
\
...
........................
'"
.
рк* Б рК 12
Значение рН
Рис. 120. Зависимость интенсивности флуо
ресценции от рН Д.l!Я системы RH
R +H+.
о
Предполаrается, что основнаЯ форма R
(сплошные кривые и символы со штрихами) имееТ
наиболее НИЗКО расположенное синrлет возбужден
ное состояние и поrлощает при длине ВОЛНbI 1..2.
при которой кислая форма RH (пунктнрчые кривые
и символы без штрихов) прозрачна. 8 КОЭффИ'
ционт эКстиикции R при 1.2' 8: и 81 коэффи-
циеиты эксТиикции R_ И RH при более короткой
длиие ВО.1Ны 1.,. Принято/что Ф и фо ие зависят
ОТ ДЛИНЫ Волны. Кривые соответствуЮ1 системе,
для КоТооой е' I 68' 28 , 1 '" 2 5 ",'
- 1 ' 2 l' "'о ' "'о'
А возбуждение при длине волны 1.,; Б и
В возбуждеиие при длине волны 1.,.
В случае Б равновесие успевает устаиовиться
при всех рН до Toro, каК произойдет заметное
Испускаиие флуоресценции. В случае В до испу'
скания Флуоресцеиции успевает диссоциировать
доля (х) ыолекул кислоты, равная 0,5 (при рН 6).
сn\щиАльныЕ ВОПРОСЫ И ПРИМЕНЕНИЕ
319
\
вые рассчитаны для растворов, разбавленных настолько, что
можно пренебречь эффектом BHYTpeHHero фильтра, и, следова
rельно, они относятся к условиям, часто встречающимся на
практике, например при аналитическом применении флуоресцен
ции. Мы выбрали такую систему, в которой равновесие в воз-
бужденном состоянии сдвинуто в сторону основной формы силь
нее, чем вневозбужденном, т. е. I H* < I1H (ер. рис. 19). ECTe
ственно, те же самые принципы применимы и при обратном co
отношении, но в этом случае роли R и RH будут противополож
ными.
Сплошные кривые на рис. 120 относятся к интенсивностям
флуоресценции основной формы R , а пунктирные к интен
сивностям флуоресценции кислой формы RH. Форма кривых
определяется следующими факторами:
а) Значения рК и рК*.
б) Коэффициент поrашения кислой (е1) и основной (е1) форм
при короткой длине волны возбуждения и коэффициент поrа
шения основной формы (e ) при длинной ВО,1ше возбуждения.
в) Скорость установления равновесия в возбужденном со-
стоянии по сравнению со временем жизни возбужденной ча-
стицы.
r) Эффективность флуоресценции кислой (СРа) и основной
(cp ) форм.
Мы используем эффективности флуоресценции и времена
жизни, которые получаются в сильнокислых или В сильнощелоч
ных растворах, rде испускает только одна форма; их можно BЫ
разить так (см. раздел II, Б, 2):
СРо === kf/(k f + kg + k n ) === k f 1:. (341)
Для разбавленных растворов реrистрируемая интенсивность
флуоресценции в отсутствие диссоциацИИ или ассоциации в воз-
бужденном состоянии может быть записана в следующем виде
[см. уравнение (21)]:
F === w 1 0 есрос ,
(342)
rде w постоянная прибора. Мы предположим, что интенсив
нОСТЬ возбуждающеrо света 10 одинакова для всех кривых на.
рис. 120, а константа w равна 1/10с.
Верхняя часть (А) рис. 120 относится к возбуждению в длин
новолноВОЙ полосе R (коэффициент поrашения ef), rде RH не
поrлощает. Выше было указано, что в этих условиях испускается
только флуоресценция (R ) *, интенсивНОСТЬ которой равна
f'cP B;, rде f' доля молекул вещества, существующих в виде
R . Следовательно, кривая интенсивности флуоресценции повто
ряеТ обычную кривую зависимости концентрации от рН; она
320
t ЛАВА !V
сi1ЕциАльныЕ вОпросЫ и ПРИМЕНЕНИЕ
321
имеет переrиб при рН, равном рК, и максимум, равный ЧJ е .
Такая форма кривой будет получаться при всех значениях рК'"
(если, как мы приняли, рК* < рК).
Средняя и нижняя части (Б и В) рис. 120 относятся к воз-
буждению более короткими длинами волн, которые поrлощаются
обеими формами. Предполаrается, что в случае Б равновесие в
возбужденном состоянии успевает полностью установиться дО TO
[о, как ПРОизойдет испускание флуоресценции. Переrиб кривой 2
при рН == рК просто отражает факт изменения оптической плот-
ности раствора, коrда R переходит в RH. Поскольку (RH) * при
этом рН диссоциирует полностью, то наблюдается только флуо-
ресценция (R ) *, и в случае полной конверсии R в RH интенсив-
ность этой флуоресценции равна <p el' Коrда рН уменьшается
до значении, близких к рК*, наблюдается дальнейшее ослабле-
ние флуоресценции (R ) * и соответствующее усиление флуорес-
ценции (RH) * (кривая 3), причем обе кривые имеют переrиб
при рН == рК*. Если соединение имеет высокое значение рК*,
то очевидно, что эти переrибы будут сдвинуты в правую часть
рис. 120, Б, а при рК* == рК rоризонтальныи участок кривой 2
исчезает. Отметим, что значения рН, при которых одновременно
может наблюдаться флуоресценция обеих форм, оrраничены ин
тервалом приблизительно в + 2 единицы рН с центром при
рН == рК"'.
Рис. .120, В относится к тому случаю, коrда перед испуска-
нием флуоресценции равновесие в возбужденном состоянии не
успевает установиться полностью. Кривые рассчитаны для си-
стемы, в которой при рН 6 диссоциирует доля молекул (RH) *,
равная 0,5. Переrибы в правых частях кривых 4 и 5 располо-
жены при рН, точно равных рК, но переrибы в их левых частях
лежат при рН HeMHoro меньше рК*. Важной особенностью яв
ляется центральный участок, [де интенсивности флуоресценции
обеих форм остаются приблизительно Постоянными.
Очевидно также, что интервал значений рН, в котором OДHO
временно наблюдается флуоресценция обеих форм, простирается
от значений, несколько больше рК, до значений, несколько
меньше рК*, и такой широкий интервал рН типичен для си-
стем, в которых протолитическое раВновесие в электронно воз-
бужденном состоянии не устанавливается. Высоты rоризонталь-
ных участков равны ХЧJ еl и (1 х) qJOel, [де х доля молекул
(RH) *, иссоциирующих при средних рН; Разумеется, если х
увеличивается, то высоты rоризонтальных участков кривых 4 и
5 соответственно увеличиваются и уменьшаются, и в конце кон-
цов случай В становится идентичНЫМ Случаю Б.
4. Влияние добавленноzо буфера
В общем С.1учае раствор содержит, кроме Н 2 О и НзО+ (или
OH ), по крайней мере еще одну кислоту или основание.
Присутствие друrих кислот или оснований влияет на равновесные
концентрации (R ) * и (RH) * только в той Мере, в какой оно из-
меняет рН и коэффициенты активНости. Однако присутствие дру-
rих кислот и оснований может существенно изменить скорости
реакций и, следовательно, интенсивности флуоресценции (R ) * и
(RH) *, если испускание происходит до Toro, как установилось
равновесие. Кинетика протолитических реакций в электрон НО-
возбужденном состоянии была разработана Веллером [244, 245],
и ниже мы будем следовать ero методу.
Рассмотрим водный раствор флуоресцирующей кислоты RH
и сопряженноrо ей основания R , содержащий, кроме Toro, бу-
ферную кислоту НВ и ее сопряженное основание B . Различные
протолитические реакции, в которых MorYT участвовать возбу-
жденные состояния (RH) '" и (R ) *, можно представить следую-
щей схемой:
(RH)* + Н 2 О + k, ) (R Y + НзО\
k, [Н,О+]
k [B ]
(RH)* + В +k b [НВ]) (R )* + НВ,
а
(RH)* + RH + hv,
(RH)* ----З+ RH,
(343)
(344)
(345)
(346)
k'
(R )* ......J+ R + hv',
(347)
k'
(R )" R .
(348)
Пусть <р и ЧJ' будут эффективности испускания флуоресценции
(RH) * и (R ) * при произвольном рН, а <ро и <p те же вели-
чины в сильнокислом И В сильнощелочном растворах COOTBeT
ственно, т. е. в таких условиях, коrда наблюдается испускание
только одной формы. Тоrда
<ро == kf/(k f + ko) :=::: kf'r,
<p === kr/(k r + k ) :=::: kr-r'.
(349)
(350)
Предположим далее, что рК * < рК (аналоrично рис. 119 и 120),
так что при любом рН меньше рК минус 2 в растворе присут-
11 Зак. 1281
322
rЛАВА IV
СПЕЦИАЛЬНЫЕ ВОПРОСbI И ПРИМЕНЕНИЕ
323
ствует только RH. Из условия стационарности дЛЯ (RH) * и (R ) *
и формул (349) и (350) нетрудно ПОЛУЧИТЬ
<p 1 5)
% 1 +.. (k l + kb [B ] )/{l +..' (k z [нзо+] + ka [НВ] )} (3 1
нарное состояние устанавливается полностью. В рассмотренной
системе такое допущение приводит ЛИШЬ к незначительным
ошибкам, однако нестационарность приходится принимать во
внимание в оТСутствие буфера; этот случай обсуждается в сле-
дующем разделе.
и
<р'
<pS 1+{I+..'(k2[НзО+J+kа[НВJ)}/..(kl+kьfв 1)'
Очевидно также, что
(352)
ер/еро + ер' /ep === 1.
(353)
5. Реакция в отсутствие буфера
Веллер [246] исследовал нафтол при малых рН в раство-
рах, rде концентрация водородных ионов реrулировалась только
добавлением хлорной кислоты. В отсутствие буфера формула
(351) принимает следующий вид:
I + ..' [нзо+] ( 355 )
<Ро!<Р 1 ..k j .. (К/)'
Следовательно, зависимость интенсивности флуоресценции от
рН будет иметь тот же вид, что и на рис. 120.
Веллер использовал эти уравнения при исследовании p Ha-
фтола в формиатном, ацетатном, пропионатном и бутиратном бу-
ферах при различных температурах. Он взял буферное отноше-
ние [B ]/[HB], равное 10, и концентрации [НВ] 1,5.10 З М. При
этих условиях значениями 't'k 2 [Н з О+] И 't'ka[HB] можно прене-
бречь, так как они малы по сравнению с единицеЙ, и уравнения
(351) и (352) принимают вид
epo/ep 1==='tkl+'tkb[B ]=== '1 . (354)
<Ро <р I
В терминах рис. 120 уравнение (354) означает, что, коrда полная
скорость .диссоциации ЩН) * мала, т. е. коrда (kl + kb[B ]) О,
ер --+ еро И система ведеТ себя так, как если бы рК* было равно рК.
Если (k 1 + kb[B ]) 00, система ведет себя так, как показано
На rис. 120, Б, а при промежуточных значениях (kl + kb[B ]),
как на рис. 120, В. Если последний тип поведения наблюдается
при малой КОнцентрации буфера (т. е. при промежуточных зна-
.чениях k 1 ), то увеличение концентрации буфера изменяет харак-
Тер зависимости в направлении от показанной на рис. 120, В
к показанной на рис. 120, Б. Именно этот эффект был обнару-
жен Ве лером в растворах -нафтола. rрафики зависимости ве-
личины (еро/ер 1) от [B ] при значенИях рН, промежуточных
между рК и рК*, были линейными, и по наклонам прямых и не-
зависимо измеренным временам жизни 't Веллер CMor опреде-
лить значения kb. Для разных буферов эти значения различа-
лись сравнительно мало (1g kb изменялся от 9,16 до 9,27 при
250 С), но были значительно ниже максимально возможных зна-
чений, рассчитанных по коэффициентам диффузии. Веллер объ-
яснил это существованием стерическоrо множителя, Величина
KOToporo находится между 0,14 и 0,21.
Нужно отметить, что в вышеприведенных рассуждениях преД-
полаrалось; 'по в электронно-возбужденном состоянии стацио-
rде
(К')' === k J /k 2 === К'lf2,
(356)
f средний коэффициент активности, а К* термодинамиче-
ская константа равновесия в возбужденном состоянии. Веллер
обнаружил, что при высоких кислотностях наблюдаются откло-
неНЕЯ от линейности между 1/(еро/ер 1) и f2[Н з О+], обусловлен-
ные тем, что уравнение (355) выполняется cTporo только тоrда,
коrда устанавливается стационарное состояние. Введя соответ-
ствующие поправки на переходные процессы, он получил удовле-
творительную линейность rрафиков, из которых рассчитал 'tkJ и
т'/т:К*, а затем k\, k 2 и К*. ИЗ зависимости величины К* от TeM
пературы Веллер вычислил /1Н* и /1S*. Значение k 2 показало, что
реакция между (R ) * и НзО+ лимитируется диффузией, а стери-
ческий множитель составляет около 0,7. Веллер предположил,
что протолитич.еская реакция протекает через стадию образо-
ваНlIЯ и распада промежуточноrо комплекса:
(NрОН)" + H20 [(NpO )'. НзО+] (NрО )' + НзО+. (357)
6. Связь между величиной (рК рК*)
и химическим строением
До сих пор мы рассматривали rлавным образом такие си
сте м!:>! , в которых при возбуждении увеличивается кислотность
т. е. рК > рУ*. Отчасти это было сделано для удобства, а OT
части потому, что диссоциация в возбужденном состоянии была
впервые исследована Фёрстером именнО на этих системах. Мож-
но ожидать, что существуют и такие системы, для которых при
возбуждении увеличивается ОСНО8НОСТЬ. Действительно, в то
время как все до сих пор исследованные фенолы и ароматиче
ские амины имеют рК* меньше рК, ароматические карбоновые
11'"
324
rЛАВА lУ
СПЕЦИАЛЬНЫЕ вопросы и ПРИМЕНЕНИЕ
325
кислоты и ароматические кетоны в результате возбуждения по-
вышают свою основность, т. е. для их прОтонированных форм
рК < рК*. Например, невозбужденная нафтойная кислота
прuсоедuняет протон только в растворах чрезвычайно высокой
кислотности: значение рК равновесия
+
О ОН
Np C# +H+?Np C#
"'ОН "-ОН
(358)
k [NH+]
(А)* + NHt « а 4 (АН+)* + NH3. (362)
kb [NНзJ
Получающиеся общие уравн"ния подобны формулам (351) и
(352). Измерив в щелочном растворе без буфера величины
<P/<Po и <p'/<p , Веллер определил константы скорости k3 и k 4 , а за-
тем и рК*. Проведя при рН 8,3 опыты при разных KOHцeHTpa
циях аммоний-аммиачноrо буфера, он рассчитал значения
константы скорости ka.
В обзорной статье Веллер [241] приводит различные кинети-
ческие и термодинамические пара метры быстрых кислотно ос
новных реакций и обсуждает эти процессы вместе с друrими
быстрыми реакциями электрон но-возбужденных молекул.
составляет 6,9, значение же рК*, определенное по точке изме-
нения спектра флуоресценции, близко к нулю. Хотя для мноrих
систем изменения рК очень велики и MorYT достиrать + 6 еди
ниц (см. табл. 38), это не Всеrда так. Например, у пиридина
рК рК*, несмотря на то что у близкоrо по строению OCHOBa
ния акридина разность (рК рК*) составляет 5,2. По Вел-
леру [243], это различие можно объяснить тем, что у акридина
нижним возбужденным синrлетом является состояние Lb, а у
пиридина La, и при протонировании первое сильно сдвиrается
в длинноволновую сторону, в то время как последнее смещается
незначительно.
Веллер [243] подробно изучил протолитические реакции в воз-
бужденном состоянии акридина в водных растворах. Значения
рК и рК* составляют 5,45 и 10,65, а свободное основание и ка-
тион акр.ИДИНИЯ флуоресцируют соответственно в синей и Зеле-
ной области. Однако, как и в случае нафтола, равновесие пол-
ностью не устанавливается, и даже при рН 8 (т. е. на 4,65 еди-
шщы ниже рК*) растворы акриди.на с низкой концентрацией
буфера испускают rлавным образом синюю флуоресценцию сво-
бодноrо основания, поскольку реакция
(А)* + Н 2 О (АН+)* + OH
(359)
7. Изомеризация в электронно возбужденном состоянии
Тот факт, что фенольная rруппа в возбужденном состоянии
становится более кислой, а ароматическая карбоксильная
более основной, приводит к интересному явлению, которое на-
блюдается, если в одной и той же молекуле ИМеютсЯ обе rруп-
пы, расположенные в орто положении друr к др rу. Веллер [247]
установил, что хотя максимумы длинноволновои п.,олоuсы поrло-
щения салициловой кислоты (1) и о метоксибензоинои кислоты
(II) отличаются лишь на ,.....,0,1 MKM l, максимумы их полос
флуоресценции отличаются на 0,5 MKM lo: кислота флуоресцирует
в синей области при 2,3 MKM l, а простои эфир В ультрафиоле-
товой при 2,8 MKM l.
ОН
I
C( C O
Q ОН
ОН
C( /b o
Q ОСН з
ОСН з
(x 6 o
Q ОН
доходит перед испусканием флуоресценции лишь до незначи-
тельной rлубины превращения. С увеличением концентрации ам-
миачноrо буфера доля зеленой флуоресценции акридиния воз-
растает блаrодаря дополнительной реакции
(А)* + NHt (AH+)* + NH3. (360)
1 11
Он предположил, что большой стоксов сдвиr в салициловой кис-
лоте обусловлен внутримолекулярным переносом протона в воз
бужденном состоянии:
II1
ОСН з
I
(x C o
Q ОСН з
lV
В принципе кинетический анализ этой системы в щелочном рас-
творе можно провести точно так же, как это было описано выше
для нафтола в кислом растворе, используя вместо уравнений
(343) и (з44) следующие равновесия:
( А' ) + Н О + k, (АН+)* + OH ( 361 )
2 k. [OH l '
он он
I I
с +
c o OH (ЗБЗ)
o
он
А Б
Таким образом, спектр поrлощения (максимум при 3,3 MKM I)
соответствует форме А, а спектр флуоресценции (максимум при
326
r ЛАВА IV
СПЕЦИАЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ И ПРИМЕНЕНИЕ
321
2,3 MKM I) форме Б. Точно так же ведет себя метиловый слож-
ный эфир (III), однако о-метоксибензойный эфир (IV), подобно
о метоксибензойной кислоте, имеет обычный стоксов сдвиr.
В уrлеводородных растворах салициловоrо эфира (III), кро-
ме интенсивноrо синеrо испускания формы Б, наблюдается сла-
бая коротковолновая компонента, соответствующая форме А; ее
относительная интенсивность с понижением температуры падает.
Все эти явления удается объяснить, если предположить суще-
ствование в возбужденном состоянии следующеrо протолити
ческоrо равновесия:
OR
I
с
""'O
v.- OH
OR
I
C:X C +
'" ОН
о.
нение (339)], энерrии триплетных состояний можно определить
из спектров фосфоресценции, если измерить их при низкой тем-
пературе в твердых кислотных или щелочных растворителях,
т. е. в условиях, rде фосфоресценция интенсивна и леrко изме-
ряется. Чтобы измерить рКТ прямым методом, можно при по-
мощи импульсной абсорбционной спектроскопии сравнить KOH
центрации двух форм в жидком растворе при различных рН.
Оба эти метода были использованы Джексоном и Портером [227],
которые исследовали некоторые нафтолы, нафтиламины, наф-
тойные кислоты и rетероциклические амины (табл. 39). Они уста-
новили, что значения рКТ находятся между рК и рК*, но, как
правило, rораздо ближе к первым.
(зб 4 )
Таблица 39
Константы днссоциацин кнслот в трнплетном
н синrлетном состояниях [227]
Из результатов экспериментов по тушению Веллер сделал вы-
вод, что при комнатной температуре равновесие устанавливает-
ся за время, значительно меньшее времени жизни возбужденных
молекул. Исследовав в уrлеводородных растворителях зависи-
мость отношеНИ51 интенсивностей двух полос от температуры, он
получил, что I1Н* == 1,O ккал/моль, а приняв во внимание спек-
тральный сдвиr, нашел, что I1Н == 13,5 ккал/моль. Вследствие
дипольноrо характера формы Б можно ожидать, что в полярных
растворителях величина I1Н* будет даже более отрицательной,
и, вероятно, Р.менно поэтому коротковолновая компонента флуо-
ресценции соединений 1 и III не наблюдается ни в спиртовых,
НИ в эфирных растворителях.
Аномально высокие стоксовы сдвиrи, обусловленные процес-
сом (363), идущим в электронно-возбужденном состоянии, дол-
жны наблюдаться для всех соединений, которые содержат вор-
то положении друr к друrу такие rруппы, одна из которых
становится при возбуждении сильнокислой, а друrая сильно-
основной.
рк Т
Соединенне
рК
рК'
метод
импульс.
иой
абсорб.
ционной
спектро-
скопии
мето)!,
фосфорес-
ценции
Нафтол 9,5 3,1 8,1 7,7
,Нафтойная кислота 4,2 10 12 4,0 4,2
а Нафтойная кислота 3,7 10 12 3,8 4,6
-Нафтиламин 4,1 2 3,3 3,1
N ,N Диметил'а нафтил 4,9 2,7 2,9
амин
Акридин 5,5 10,6 5,6
Хинолин 5,1 6,0 5,8
r. ВОЗБУЖДЕННЫЕ ДИМ ЕРЫ И БЫСТРАЯ ФЛУОРЕСЦЕНЦИЯ
8. Протолитическое равновесие в триплетном состоянии
1. Типы димеров
Ассоциация молекул pacTBopeHHoro вещества в общем случае
приводит к образованию полимерных комплексов, содержащих
две мономерные молекулы или более (рассматривается ассоциа-
ция без участия первичных валентностей). Мы оrраничимся об.
суждением только ДИмерных комплексов. Устойчивость димера
зависит от ero свободной энерrии образования, которая в свою
очередь определяется rлавным образом теплотой образования
(энтальпией) I1Н. С фотохимической точки зрения следует раз
личать несколько типов димеров. Первый из них может
Оба метода определения рК* синrлет-возбужденноrо состоя
ния В принципе можно использовать и для определения рКТ,
т. е. значений, отвечающих :rриплеТНО\IУ состоянию, если при
этом реrистрнровать спектры Тl Sо-фосфоресценции двух
форм. В жидком растворе при комнатной температуре интен-
сивность фосфоресценции почти всеrда очень мала, и поэтому
для изучения ионизации триплетноrо состояния ее пока не ис-
пользовали. Чтобы применить спеКТРQскопический метод [урав-
СПЕЦИАЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ И ПРИМЕНЕНИЕ
329
328
r ЛАВА lV
А+ A (AA).
(365)
ных астВОРОВ антрацена. Ero структура показана на рис. 121, а.
Обр!зование фотодимеров очень леrко отличить эксперимен
тальнО от образования возбужденных диме ров первоrо и BTO
poro типов, поскольку. он дается постепенным потреб.
б
а р
получаться путем обратимоrо соединения двух невозбуждеНЯblХ
молекул:
Димеры этоrо типа хорошо известны; в частности, они ответ-
ственны за изменения формы спектра поелощения мноrих краси
телей при их высоких концентрациях в растворе. Такие димеры
часто являются нефлуоресцирующими. При их возбуждении по
лучаются возбужденные димеры (АА) *, которые можно paCCMa
тривать как комбинацию возбужденноrо мономера и молекулы
в основном состоянии, т. е. как А * А. Если теплота образования
возбужденноrо димера . { .I1H*) rораздо меньше RT, то возбу-
жденный димер будет быстро диссоциировать:
A*A A*+A.
(366)
AA"
(1 ....... ,А.....
... ....... .... ......
,
121. Предполаrаемые молекулярные структуры диантрацена (а), а' и
ИЗ0меров динафтацена (6) и дипентацена (в) [248].
Если же теплота I1H* достаточно велика и возбужденный ди-
мер устойчив, то можно представить себе еще один путь образо
вани я димера процесс, обратный реакции (366), в котором
сначала возбуждается мономер и уже после этоrо происходит
ero реакция с невозбужденной молекулой:
р Иf:.
lА lА*,
(367)
(368)
лением мономера в процессе облучения раствора. Итак, воз-
можно образование трех типов димеров:
A+A (AA)2! (AA)* (обычные димеры),
А + А А* + А (АА)* (эксимеры),
А + A А* + A A2 (фотодимеры).
(369)
(370)
(371)
lA*+lA A*A.
Процесс (368) имеет особенно большое значение, если величина
I1H дЛЯ димера в основном состоянии отрицательна или равна
нулю, т. е. если в основном состоянии димер полностью неустой-
чив, а устойчив только в электронно возбужденном состоянии.
Такие димеры мы назовем димерами второео типа. Мноrие
исследователи называют такие димеры «эксимерами» (см. раз-
дел 1, В, 5), чтобы отличить их от димеров первоrо типа, у KOTO
рых основное состояние устойчиво. Хотя термин «эксимер» пер
воначальноrо был введен для обозначения rипотетических
«долrоживущих возбужденных димеров», следует иметь в виду,
что сейчас он относится к димерным чаСТР.цам, имеющим корот-
кие времена ЖИЗllИ, характерные д.'IЯ синrлетных состояний.
В дальнейшем мы будем иметь дело rлавным образом с «эк-
симерами», хотя нам встретится и еще один, третий тип диме-
ров, а им нно фотодимеры. Они получаются в основном состоя-
нии, коrда взаимодействие между А * и А прИводит К «необра-
тимому» химическому превращ нию, при котором образуются
новые ковалентныle связи. Наиболее известным примером яв-
ляется диантрацен, получаемый при облучении концентрирован-
2. У стоuчuвость возбужденных димеров
Рассмотрим раствор соединения, которое дает димер, устой-
чивый только в электронно возбужденном состоянии. Допустим,
что излучательные переходы происходят из синrле возбужден-
ных состояний как мономера (А*), так идимера (А 2 ). Эти пере
ходы дадут две полосы, характерные для двух указuанных форм.
Эту систему можно представить схемой, показаннои на рис. 12
[249]. Верхняя часть рисунка зависим?сть потенц альнои
энерrии возбужденной и невозбужденнои систем (А + А и
А + А) от расстояния между мономерами компонентами ди
мера. Минимум верхней кривой I1H А соответствует положи
тельной теплоте образования возбужденноrо димера (энерrии
связи эксимера). Нижняя кривая круто идет вверх, 11 значение
I1H на расстоянии, равном равновесному расстоянию в возбу
жденном димере (Е н на рис. 122), отрицательно и велико по аб.
солютной величине. Очевидно, что между двумя компонентами
невозбужденноrо «димера» существует СИJlhное отталкивание, и
поэтому он будет при всех температурах немедленно расра-
даться.
330
rЛАВА IV
СПЕЦИАЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ И пРИМЕНЕНИЕ
зЭi
Из рис. 122 следует, что кванты, испускаемые мономером при
ero излучательном переходе в основное состояние (hv ), должны
иметь большую энерrию, чем кванты, отвечающие испусканию
димеров (hvЫ. Испускание мономера будет иметь обычную ко-
лебательную структуру, типичную для большинства ароматиче-
ских уrлеводородов; на рис. 122 это схематично показ&но в виде
переходов на разные колебат льные уровни OCHoBHoro состоя
r А"+А ния, соответствующих раз
' личным максимумам в
"'1: спектре испускания флуо
ресценции мономера (внизу
справа). Излучательные пе-
реходы в димере про-
исходят на кривую отталки
вания и поэтому дают
сплошной спектр испускания
в виде широкой бесструк-
турной полосы с максиму
А+А мом, соответствующим hv ,
причем выполняется следую-
щее соотношение:
h (v v ) === D"H А + Е р-.
(372)
"\
t
t .
Расстояние '
.между ПАоскостями I
l'
Р---------+-
Рис. 122. Диаrрамма потенциальной
энерrии димера в осНовном и электронно-
возбужденном СОстояниях [249].
тельнО получившихся димеров [процесс (369)]. В результате этой
и более поздней работы Фёрстер и сотр. [251, 252] установили
все rлавные особенности явления и предложили следующую
схему:
(АА)*
j/
(АА) + hv' (А А),
j/
А+А
в котороЙ предполаrается, что в результате облучения раствора
светом устанавливается фотостационарное состояние, причем в
растворе одновременно присутствуют и испытывают u излучатель-
ные и безызлучательные переходы и возбужденныи мономер и
возбужденный димер, а в конечном итоrе образуются молекулы
мономера в основном состоянии.
Мы запишем процессы, включенные в схему (373), вместе
с соответствующими константами скорости, введенными в rл. 11,
и на этой основе обсудим экспериментальные результаты Фёр-
стера и друrих авторов. Итак, мы имеем:
А А* Скорость === 1 а'
А*+А
j/
А + hv А
3. Возбужденный
дuмер пuрена
Замечательным приме-
ром эксимерной флуоре
ценции является испускание
концентрированных растворов пирена, впервые изученное Фёр-
стером и Каспером [40, 250]. Они обнаружили, что разбавленные
растворы пирена в бензоле дают только структурный
спектр флуоресценции мономера (см. раздел IV, Д, рис. 131,
rде кривая 4 относится к более поздним измерениям в эта-
ноле), однако с УВеличением концентрации эта флуоресцен
ЦJ!я постепенно ослабляется, но в области б6льших длин волн
появляется Н9вая бесструктурная полоса hспускания (см. кри-
вые 3, 2 и 1 на рис. 131). При этом не наблюдается никаких из
менений спектра поrлощения и даже наиболее концентрирован
ные растворы продолжают подчиняться закону Бера. Отсюда
следует, что изменения спектра флуоресценции не связаны с ас-
социацией молекул пирена до возбуждения. Этот вывод Фёрстер
11 Каспер подтвердили измерениями точки замерзания раствора,
после чеrо приписали изменения спектра флуоресценции обра-
ЗOfзанию ЭКСИмера [процесс (370)], а не возбуждению предвари-
А* А +- hv'
A* A
A* 3A
А' + А А;
A; A* + А
* f/
А 2 А + А + hv
А; А + А
=== k f [А'),
=== k n [А*],
=== kg [А*],
=== k A [А*] [А),
=== kd [А;],
=== k f r А;],
::=: k [А;].
(373)
(374)
(375)
(376)
(377)
(378)
(379)
(380)
(381 )
Решив уравнения стационарноrо состояния (см. раздел 11, Б, 1)
и введя полную концентрацию pacTBopeHHoro вещества С, по
лучаем следующую формулу:
<Р D kf[ А;] kfk АС К (38 2 )
<РМ === k f [А*] === kf(k f + k + k d ) === 1 С '
rде <rD и <Рм эффективности флуоресценции димера и MOHO
мера при концентрации с. Кроме Toro,
<P ===1+ [ kA ][ 1 k1 ] С===
+ + + +
=== 1 + kA't' (1 kd'f: D )С, (383)
332
r ЛАВА IV
СПЕЦИАЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ И ПРИМЕНЕНИЕ
333
rде <p и T эффективность и время жизни флуоресценции
возбужденноrо мономера, а 'D время жизни димера при бес
конечном разведении. Таким образом, формула (383) требует,
чтобы тушение мономера подчинялось уравнению Штерна
Фольмера (см. раздел Н, Б, 2). Аналоrичное уравнение можно
написать и для эффективности флуоресценции димера:
00 1
!PD === 1 + (384)
!PD kA" (l kd"D)C'
rде QJ'D максимальная эффективность флуоресценции димера,
т. е. ее значение при бесконечно высокой концентрации.
1,0
О
10'4 /0'3 1O 1
C,[MO,yb/.AJ
Рис. 123. Зависимость спектра флуоресценции пирена от ero концентра-
ции [252].
Растворитель смесь /i'октиловоrо и /i'додециловоrо спиртов. О относительиый кван'
товый выход фиолетовой флуоресценцни; . то же для синей флуоресценции. I<pHBble
рассчитаны теоретически при Сh з.4.10 3 М.
Формулы (3 3)..и (384) можно записать в форме, впервые ис-
пользованнои Ферстером и Каспером, а именно
QJM:::::QJ [ 1+ lc lcJ (385)
8
э..
э..
::!
0,5
'-
и
HorO значения, получающеrося в высококонцентрированных
растворах.
Фёрстер h сотр. [40, 251, 252] показали, что флуоресценция
пирена в различных растворителях хорошо соrласуется с фор-
мулами (385) и (386). Так, например, типичный rрафик, приве
денный на рис. 123, показывает, что интенсивности флуоресцен-
ции мономера идимера достиrают своих половинных значений
при одной и той же концентрации, которую, очевидно, можно
выразить следующим уравнением:
l/c h === k A' (1 kd'D)' (387)
Если ассоциация [реакция (378)] контролируется диффузией, то
величина l/k A должна быть пропорциональна вязкости и, сле-
довательно, концентрация Ch также должна резко зависеть от
вязкости. То, что это действительно так, было показано и Фёр-
стером с сотрудниками и друrими авторами. Значения k A ока-
зались близкими к диффузионным константам скорости (см.
ниже) .
4. Время жизни мономера и возбужденноzо димера пuрена
Прямые измерения времен жизни флуоресценции мономера
и эксимера были проведены при помощи импульсноrо и фазо..,
Boro флуорометров [192].
Кривые, полученные на им-
пульсной установке, можно
рассматривать как rрафиче
с.кое подтверждение уже об-
суждавшеrася процесса об-
разования эксимера. На
рис. 124 кривая р (t) харак-
теризует продолжительность
CBeToBoro импульса. Флуо-
ресценция мономера [кривая
fM (t)], как это и следует
из уравнений (375) (378),
непрерывно затухает сразу
же по окончании CBeTO
Boro импульса. На началь-
ных стадиях этоrо затуха-
ния флуоресценция эксиме
ра [кривая fD (t)] растет, до-
стиrает максимума значи-
тельно позже, чем заканчивается световой импульс, и, наконец.
спадает. Таким образом, кривая fD (t) отражает образование
димеров [процесс (378), конкурирующий с процессами (379)
."
Е:
" 6
"
4
:1:
."
2
<Рп == <Р;) [ 1 +I Ch / C ],
Рис. 124. Кинетика флуоресценции моно-
мера [f М (1)] и эксимера [f D (t)] пирена
(5. 1O 3 М) после возбуждения мы-
пульсоМ света [р (t)] [192].
(386)
rде Ch «полуконцентрация», т. е. концентрация, при которой
флуоресценция мономера потушена на 50%, а эффективность
флуоресценции димера достиrает половины cBoero максималь-
ЗЗ4
rЛ4.ВА IV
СПЕЦИАЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ И ПРИМЕНЕНИЕ
(381)] и их последующее исчезновение в реакциях (379) (381).
Из данных по временам жизни и эффективностям флуоресцен-
ции Биркс и сотр. [192] смоrли определить константы скорости
всех процессов (375) (381) (вместо k g и k n была получена их
сумма). Излучательные времена жизни мономера и димера ока-
зались равными 6,8.10 7 и 0,9.10 7 с, а образование эксимера
проце сом, контролируемым диффузией с константой k A , вычис-
ляемои по уравнению (80).
5. Термодинамические параметры возбужденных
димеров
Исследовав зависимость от температуры эффективностей
флуоресценции мономеров и димеров пирена в жидком пара-
фине, Дёллер и Фёрстер [252] показали прямыми измерениями,
что образование димеров
происходит обратимо. Их
данные приведены на рис.
125. В разбавленном раство-
ре, rде образованием диме-
ров можно пренебречь, эф-
феrстивность флуоресценции
падает с ростом температу-
ры, так как при этом возра-
стают скорости безызлуча-
тельных процессов дезакти-
вации. Картина, показанная
на рис. 125, получается при
более высоких концентра-
циях, достаточных для Toro,
чтобы наблюдалась флуоре-
сценция и мономеров и ди-
меров. При повышении тем-
100 200 300 пературы квантовый выход
t,OC флуоресценции мономера
Рис. ]25. Зависимость от температуры сначала резко падает, а
KBaHToBoro выхода испускания пирена выход флуоресценции диме-
в жидком парафине (5. ]o 3 М) [252J. ра сначала растет, но по до-
О мономерная К? lПонента. . димерная ком- стижеНFИ 800 С начинает
понента. снижаться и одновременно
" начинает увеличиваться
квантовыи u выход MOHo epa. ЭТО увеличение об словлено
термическ()и диссоциациеи димера при ПОвышенной те пературе
и соотве'l"СТВУЮЩИМ обратным образованием мономера Такое
увеличение испускания мономера при высокой темпера;уре за-
метно еще Лучше, если взят раствор более высокой концентра-
ции (на рис. 125 не показано).
о
Ij fJ,20
00
CQ
0,30
0,25
0,15
0,10 О
335
Для количественной интерпретации явления Дёллер и Фёр-
стер предположили, что процессы (376) (379) и (381) имеют
определенные энерrии активации, и, следовательно, их KOH
станты скорости можно записать так:
k == N ехр ( E/RT).
(388)
Излучательные процессы от температуры не зависят, константЫ
скорости k f и ki постоянны. Дёллер и Фёрстер показали, что
если построить rрафики зависимости лоrарифмов величин
(I/QJ 1), (I/QJБ' 1) и Ch от обратной температуры, то по их
наклонам можно определить значения четырех энерrий актива-
ции. В частности, они нашли, что
Е А == 6,5 :t 1 ккал/моль,
Ed 17,5 :t 1 ккал/моль,
и, следовательно, теплота образования димера
I1H* == Е А Ed === 11,0 ккал/моль. (391)
Далее, поскольку константа равновесия образования димера (К*)
равна kA/k d и
I1G == RT 'П К* == I1H* + т I1S*,
(389)
(390)
(392)
то
I1S* == R 'П (N A/N d)'
(393)
rде I1S* энтропия образования возбужденноrо димера, а N А
И N d не зависящие от температуры множители. которые BXO
дЯТ в уравнение (388) и MorYT быть найдены из отсечений упо-
мянутых выше rрафиков. С помощью уравнения (393) Дёллер
и Фёрстер нашли, что I1S* == 20 кал/ (моль. rрад).
Биркс и сотр. [253] измерили в разных растворителях теп
лоту образования ( I1H*) димера пирена. В их методе ис
пользуются только спектроскопические данные. На рис. 126
показаны зависимости величины 19(CPD/<PM) от обратной темпера-
туры. Видно, что как при низких, так и при высоких температу-
рах эти зависимости можно аппроксимировать прямыми. При
низких температурах можно пренебречь скоростями диссоциа-
ции и безызлучательноЙ дезактивациИ димера (kd и k; ) и, сле
довательно, получить из формулы (382)
QJD/QJM kAc/k f (N Ac/k f ) ехр ( EA/RT). (394)
Рассчитанные этим способом значения Е А оказались в близком
соответствии с энерrией активации (Ее) диффузионной KOH
станты скорости
kc == 8RT/3000'Y) == N e ехр ( Ee/RT),
(395'
. ,
336
r ЛАВА IV
подтвердив, таким образом, что образование эксимера KOHTpO
лируется диффузией. При высоких температурах kd становится
большим по сравнению с k; и k , и в этом случае ,уравнение
(382) преобразуется в
<р D k' k С ( k' N С )
..J......::!... exp( tJ.H.!RT).
<Рм. kfk d kfN d
тур, rде
СПЕЦИАЛЬНЫЕ вопросы и ПРИМЕНВНИЕ
337
kd (k; + k ),
(397)
а также следующее свойство замкнутой системы, состоящей из
двух независимо испускающих видов частиц: если их спектры
испускания имеют общий участок, а концентрации связаны ли
нейным соотношением, то суммарные спектрЫ, записанные при
(396)
Значения tJ.H*, полученные из высокотемпературных участков
рис. 126, в предел ах поrрешности опыта не зависели от природы
Температура. ОС
О 40 80
+ 80 + 40
100
!ОО
50
,.....,
"
....с:.
...,
ф
....>
!о
5
26 30 34 38 42 46 50
I04jT
Рис. 126. Отнош ие испускаНIIЯ димера к испусканию мономера в спектре
флуоресценции}О М растворов пирена в бутаноле (1), этаноле (2), толу-
оле (3) и reKcaHe (4) при различных температурах [253].
1
,....,
01
:z::
с!)
t::I
"""
::r
::r
::t'
....
'"
:r,
i
...
Е
..,
'1)
Е:
300 400 500
Д иHa вO HЫ, #1М
Рис. 127. Неисправленные спектры флуоресценции 0,5 М раствора 1-фтор-
нафталина в толуоле при различных температурах [249].
1 510 С; 2 400 С; а 330 С; 4 250 С; 5 19° С; 6 80 С; 7 40 С; 8 +70 С; 9 +220 С.
растворителя. Чтобы определить значение tJ.H* более точно,
Биркс и сотрудники использовали как спектроскопические дaH
ные для трех растворителей (этанол, ацетон, циклоrексан), так
и данные о временах жизни. Среднее значение оказалось рав-
ным 0,32 MKM I.
Стивенс и Бэн [249] предложили несколько иной метод об-
работки спектроскопических данных с целью определения теп-
ЛОты и энтропии образования возбужденных ДИмеров. В этом
методе тоже используют уравнение (382) в интервале темпера
разных значениях некоторой переменной (например, темпера
туры), будут иметь изобестическую точку (см., например,
рис. 127). Указанное свойство, а также факт линейной зависи-
мости величины Ig(<PD!<PM) от обратной температуры Стивенс
и Бэн ИСпользовали для определения Toro интервала темпера-
тур, в котором выполняется условие (397). Для этоrо интервала
уравнение (382) можно записать в следующем виде:
[ <PD k f J !!.S. лн.
lп . ==::1ПКА ==:: ,
<Рм kfc . Я ЯТ
(398)
338
r ЛАВА lV
СПЕЦИАЛЬНЫЕ воПРОСЫ И ПРИМЕНЕНИЕ
339
образование димеров было исследовано [256, 257] в концентри
рованных растворах нафталина, испускание эксимера KOToporo
сильно возрастало при понижении температуры. С тех пор было
опубликовано MHoro работ, в частности Бирксом и ero школой,
которые показали, что образование эксимеров в растворах
широко распространенное явление. Неполный перечень соедине
ний, эксимеры которых обнаружены экспериментально, приве-
ден в табл. 41; в нее включены и соединения, эксимеры которых
обнаружить не удалось. Некоторые соединения дают устойчи-
вые фотодимеры, а одно из них и эксимер, и устойчивый
фотодимер.
rде константа равновесия фотоассоциации КА равна kA/k d .
Они установили, что уравнение (398) можно записать в виде
lп [ fb ] == !!.s. !!.н.
f c R RT '
(399)
. 1
rде f и f м интенсивности испускания димера и мономера
в изобестической точке, рассчитанные по интенсивностям ис-
пускания при тех длинах волн, rде флуоресцирует только MOHO
мер или только димер. Полученные этим методом значения LlS*
и LlH* приведены в табл. 40.
Таблица 40
Энтальпии и энтропии фотоассоциации [249]
Обраэование димеров
Таблица 41
Соединение
Литература
Интервал AS', AH.,
Соедннение температур,
ос кал/(моль.rрад) ккал
Пирен 60 85 18,5:!:2,0 9,5:!: 1,0
1,2 Бензантра От 24 17,4:!:2,0 6,0:!:О,5
цен до 8
2 Метилнафта- От 69 21,0:!:2,O 5,8:!: 0,5
лин до О
I-Фторнафта От 51 21,8:!:2,O 5,8 :!:0,6
лин до 22
Аценафтен От 70 1 9,0:t. 2,5 4,9:!:0,7
до 39
3ксимер (3)
илн
фотодимер
(ФД)
Пирен
Производные пирена
Нафталин и ero алкилпроизводные
1,2-Бензантрацен и ero алкилпроиз'
водные
1,2, 3, 4-Дибензантрацен
Бенз-(а),пирен
1, 2 Бенз[Тирен
1,2, 4, 5 Дибензпирен
Антантрен
Перилен
1, 12. Бензперилен
2, 5 Дифенилоксазол
Бензол
Толуол
n Ксилол
Мезитилен
Антрацен
Нафтацен
Пентацен
2 Метилантрацен
9 Метилантрацен
9, 10 Диметилантрацен
9, 10 Дифенилантрацен
Друтие исследованные
Стивенс и Бэн отмечают, что преимущество метода состоит
в том, что значения LlS* и LlH* получаются непосредственно
из неисправленных записей спектров испускания при разных
температурах и при этом не нужны независимые измерения вре-
мен жизни, определения интеrральных спектральных интенсив
НОстей и поправки на чувствительность детектора и реабсорб
цию флуоресценции.
6. Возбужденные димеры apyzux соединении
До Toro как Фёрстер и Каспер проверили свои опыты с пи
реном, было известно лишь несколько соединений, спектр флуо-
ресценции которых зависит от их концентрации, некоторые
производные пирена и бенз (а) -пирен [254]. Позднее Дёллер [255]
измерил ряд параметров, характеризующих образование экси-
меров, в растворах 4 метил , 3 циан-, 3-хлор- и 3 бромпиренов, а
также 3 сульфоната и 3,5,8,10 тетрасульфоната пирена. Затем
э
э
э
э
э
э
э
э
э
Э (ел.)
Э
Э
Э
Э
Э (ел.)
Э
ФД
ФД
ФД
ФД
Э, ФД
Э
См. текст
255, 258
256, 257,
259 261
262, 263
263
254, 258
258
258
263
263
263
263
264, 265
264, 265
265
265
266
248
248
267
268, 269
269
270
263
Испускание эксимеров мноrих соединений малоинтенсивно
и наблюдается только в очень концентрированных растворах
или в чистых жидкостях. Чтобы обнаружить слабую полосу эк-
симера, Биркс и сотрудники нормализуют спектры испускания
340
r ЛАВА IУ
СПЕЦИАЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ И ПРИМIшЕНИЕ
341
3,4 бензфенантрен). Недавно Биркс предложил называть такие
возбужденные комплексы «эксиплексами» *.
растворов разных концентраций по интенсивности такой полосы
мономера, которая не подвержена самопоrлощению и находится
вне области испускания димера (рис. 128). Спектр димера по-
лучается вычитанием спектра наиболее разбавленноrо раствора
(в котором образование димера незначительно) из спектра наи-
более КОIщентрированноrо раствора.
ж
20
15 :l: АЖ
Q о ....L......L...'
450 500
В
10
А
5
о
7. Фсн.торы, влияющие на образование возбужденных
димеров
Из двух нижних возбужденных синrлетных состояний арома-
тических молекул lLa И 1Lb (в обозначениях Плятта [272])
первое имеет большую вероятность перехода из OCHOBHoro со-
стояния (lg 8 3,5 5(1), чем последнее (lg 8 2,4 3,4). По-
этому излучательное время жизни будет сильно зависеть от
Toro, какое из упомянутых состояний имеет более низкую энер-
rию. Поскольку образование эксимера контролируется диффу
зией и конкурирует с испусканием флуоресценции мономера,
ему будут блаrоприятствовать большие времена жизни возбуж
денноrо мономера, т. е. такое расположение уровней, коrда
нижним является уровень lLb. Действительно, для большинства
соединений, испускающих димерную флуоресценцию, xapaKTep
но именно такое расположение синrлет-возбужденных уровней
(см., например, рис. 129).
Стабилизацию 130збужденноrо димера можно объяснить
двоя ко [263]. Первое объяснение состоит в том, что взаимодей-
ствие систем электронов возбужденноrо и невозбужденноrо мо-
номеров в комплексе А* А приводит К расщеплению энерrетиче
ских уровней состояний lLa И 1Lb. Уровень lLb расщепляется ro
раздо меньше, чем уровень 1La (рис. 130), и поэтому нижним
возбужденным состоянием димера становится состояние типа
lLa, а ero энерrия получается меньше, чем у мономера. Во вто-
ром объяснении предполаrается перенос электрона между мо-
номерами (A+A ) и квантовомеханическое смешивание состоя-
ний АА* и A+A . При этом для Toro, чтобы образовался димер,
результирующее состояние димера должно лежать ниже, чем
lLь состояние мономера. Такая теория хорошо объясняет экспе-
риментальные даннЫе.
Барнс и Биркс [269] распространили теорию На случай обра-
зования и устойчивых фотодимеров и эксимеров некоторых
400
500
.I!.,ffM
Рис. 128. Метод получения спектра флуоресценции возбужденноrо ДИМера
1,2-бензантрацена [262].
I(онцентрацни: A lo 2 М; B 5,5.10 3 М; Д lО З М; Ж lо 4 М.
До сих пор мы рассматривали ассоциацию возбужденноrо
синrлетноrо мономера с невозбужденной молекулой Toro же са-
Moro вещества. Биркс и ХрFСТОфОрУ [271] показали, что возбуж-
денный мономер может присоединяться и к невозбужденной
молекуле друrоrо соединения:
А" + В:? (АВ)".
* Разные авторы используют различные термины: «смешанные экснме,
ры», «rетерополярные эксимеры», «rетероэксимеры», «внутримолекулярные
смешанные эксимеры». По рекомендации международноrо симпозиума по мо-
лекулярной люминесценции (Чикаrо. aBrycT. 1968 r.) эксиnлексом предложено
наЗывать электронно-возбужденный атомный или молекулярный комплекс
определенной стехиометрии, который в основном состоянии распадается.
Эксиплекс может быть люминесцирующим или нелюминесцирующим. Экси
мер это зксиплеl\С между одинаковыми атомами или молекулами. к: ЭКСII
плексам не относятся возбужденные молекулы, взаимодействующие с неопре
деленным числом молекул растворителя [см. Mol. Photochem., 1, N9 1, 157
(1969)]. --- Прим. ред.
( 400)
Флуоресценция «смешанных» эксимеров (АВ) * наблюдалась
в тех случаях, коrда энерrии нижних синrлет-возбужденных co
стояний молекул А и В были одинаковы (например, пирен и
342
tЛАВА IV
СПЕЦИАЛЫIЫЕ ВОПРОСЫ 11 пrИМЕНЕНИЕ
343
производных антрацена. Они утверждают, что нижним возбуж-
денным синrлетом антрацена, тетрацена и пентацена является
5,0
IOJ
а>
З,О
tL a
IL"
з.о
Toro, образует и флуоресцирующий эксимер. В случае 9,10 ди
метилантрацена фотодимер не получается, но эксимер еще обра
зуется, в то время как 9,10 дифенилантрацен не дает ни Toro, H
друrоrо вследствие некопланарности фенильных заместителеи
и основной системы колец. Коrда нижним возбужденным син
rлетом является состояние 1Lb (например, в пирене) , влияние
потенциала диполь дипольноrо взаимодействия состояний 1 La
уменьшается, хотя оно все еще достаточно для. Toro, ;,тобы ocy
ществить параллельную ориентаци'о плоскостеи и осеи молекул
А * и А. Поэтому поляризация флуоресценции димера оказы
вается такой же, как у состояния 1La, но взаимодействие Heдo
статочно велико для Toro, чтобы л-электроны превратились в
()' электроны, способные осуществлять устойчивые ковалентные
связи между двумя мономерами.
8. Внутримолекулярное образование возбужденных
димеров
В разбавленном растворе среднее расстояние между моле
кулами слишком велико для Toro, чтобы за время жизни воз
бужденных молекул заметная доля их смоrла встретить друrие
молекулы этоrо же вещества. Поэтому в разбавленных раство-
рах эксимеры получаются лишь в незначительной степени Од-
нако если пары ароматических колец соединены цепочкои Ha
сыщенных атомов уrлерода, то вероятность встречи между коль-
цами резко возрастает и можно ожидать, что эксимерное
испускание будет наблюдаться даже в сильно разбавленных
растворах. Это заключение было подтверждено в опытах Хи
раямы [273], который исследовал спектры флуоресценции раз-
б.\Вленных растворов дифенил- и трифенилалканов. Он уста-
новил, что коrда фенильные rруппы разделены цепочкой из трех
атомов уrлерода (как, например, в 1,3 дифенилпропане и
1 ,3,Б-трифенилпентане), то наблюдае1 ся эксимерное испускание,
и объяснил это тем, что в таких соединениях бензольные кольца
леrко MorYT принять конфиrурацию, блаrоприятствующую об
разованию эксимеров. Подобный же эффект имеет место и в
растворах полимеров стирола [274]. Так, спектры поrлощения
изотактическоrо и атактическоrо полистирола в 1,2 дихлорэтане
совершею':о идеНтичны спектру толуола. Спектры испускания
разбавленных растворов толуола и атактических полимеров
также одинаковы и содержат только полосу мономера в обла
сти 290 нм. Однако в спектре испускания изотактическоrо поли
стирола появляется полоса 324 нм, близкая к полосе 320 нм,
Йспускаемой эксимерами толуола в ет'о концентрированных pac
творах. Авторы [274] предположили, чтО каждая фенильная
rруппа может давать эксимер с любым из своих ближайших
с;оседей. Но если это действительно так, то, следовательно, для
-1,0
2,0
4.5
4.0
3,5
Р. ,мк,м-l
Рис. 129. Спектр поrлощения пирена в этаноле [255].
состояние 1 La, диполь KOToporo поляризован поперек малой оси
молеl\УЛЫ. Потенциал' ДИПОЛЬ Дипольноrо взаимодействия между
. 1 молекулами в СОСТоянии 1La
L:
велнк, и этот потенциал ориен-
тирует молекулы А * и А так,
что их плоскости становятся
параллельными, а положения
9 и 10 располаrаются друr про-
тив друrа. Величина взаимо-
действия достаточна для обра-
зования ковалентных связей
между двумя молекулами
(соединяющих положения 9 и
10), в результате KOToporo
образуеТСf! устойчивый фото-
Димер (см. рис. 121). (Следует
отметить, что антрацен тем не
менее дает и возбужденный
димер при триплет триплетном взаимодействии в этаноле при
750 С [179}). Введение заместителей создает препятствия сбли-
жению мономеров А * и А и, следовательно, оrраничивает вели-
чину взаимодействия. Так, 9 метилантрацен все еще дает фото-
Димеры (хотя и с меньшим выходом, чем антрацен), но, кроме
,',""
-,-",
"
,
. t L t
"', "
" IL;
M01fOMep Ди.мер
Рис. 130. Уровни энерrии мономера
и возбужденноrо димера.
2.5
344
rЛАВА IV
сntЩИАJ1ЬНЫЕ ВОПРОСЫ И ПРИМЕНЕНИЕ
345
образования эксимеров вовсе не нужны реrулярные контактЫ
между фенильными кольцами, расположенными параллельно
друr друrу, ибо в изотактическом полистироле такие контакты
невозможны. Каким бы, однако, ни было объяснение, очевидно,
что измерения флуоресценции являются хорошим способом,
позволяющим отличить изотактический полистирол от атакти-
ческоrо. '
rлет возбужденноrо мономера уrлеводорода И б) широкую по
лосу, которую авторы приписали диме ру. Они предполаrают,
что люминесценция возбуждается в следующих двух процессах:
A++A A'+A,
+ .
А + А Ао,
(см. также раздел IV, Д, 4).
( 40 1 )
( 402)
9. Друzие методы получения испускания возбужденных
димеров
По Барнсу и Бирксу [269], эксимерная флуоресценция aHTpa
цена не испускается потому, что блаrодаря сильному диполь-
дипольному взаимодействию вместо эксимера получается устой-
чивый фотодимер. Можно ожидать, что эксимерное испускание
антрацена будет наблюдаться в том случае, если бы частицы А *
и А удалось удержать на большом расстоянии, таком, что взаи
модействие осуществлялось, но было бы недостаточно велико
для образования устойчивоrо фотодимера. Именно такие опыты
были проведены Чандроссом [275]. Растворы диантрацена в
твердом метилциклоrексане при 77 К не флуоресцировали. Ши-
рокая бесструктурная полоса флуоресценции появлялась, oд
наКО, после облучения образца при 77 К светом 254 нм. Испус
кания MOHoMepHoro антрацена зареrистрировано не было, но
оно ВQзникало с. высокой интенсивностью после разморажива-
ния и повторноrо замораживания. Автор объяснил свои резуль-
таты тем, что при фотолизе диантрацена получаются две моле
кулы антрацена, которые блаrодаря жесткости матрицы не
McrYT разойтись и остаются близко друr к друrу; испускание
эксимера возникаеI в результате возбуждения одной из них.
Хотя это и не относится непосредственно к области фотолю
минесценции, здесь стоит упомянуть работу Чандросса и сотр.
[276] по электрохемилюминесценции ароматических уrлеводоро-
дов. При помощи электролиза на переменном токе растворов
уrлеводородов в ацетонитриле и диметилформамиде они полу
чали положительные и отрицательные ион радикалы А+ и A
и наблюдали люминесценцию * двух типов: а) испускание син-
Д. ВОЗБУЖДЕННЫЕ ДИМ ЕРЫ И ЗАМЕДЛЕННАЯ
ФЛУОРЕСЦЕНЦИЯ
1. Растворы пирена при комнатной температуре
Чтобы объяснить особенности замедленной флуоресценции
типа Р растворов антрацена И фенантрена, Паркер и Хатчард
предположили, что при встрече двух триплетных молекул [см.
уравнения (l27) (132)] образуется короткоживущая возбуж-
денная частица Х, из которой затем получается возбужденная
синrлетная молекула. Частицей Х Mor бы быть короткоживущий
димер:
3 А + 3 А 1 А; 1 А' + 1 А
(403)
или одиночная молекула в квинтуплет.!ом состоянии:
3A+3A 5A+IA IA'+IA. (404)
Проблема была частично решена последующими исследования
ми растворов пирена в этан оле [34]. Авторы установили, что
спектры быстрой флуоресценции изменяются с концентрацией
так же, как и в работе Фёрстера и Каспера [40], т. е. испуска
ние мономера испытывает концентрационное тушение в соот-
ветствии с уравнением Штерgа Фольмера [формула (383)] и
одновременно растет интенсивность испускания димеров. Отно-
сительная интенсивность испускания димеров (<pD/<PM) с умень-
шением концентрации пирена снижал ась в соответствии с урав-
нением (382) и при низких концентрациях стремилась к нулю
(рис. 131). При любой концентрации относительная интенсив-
ность полосы димера была в спектре замедленной флуоресцен
ции (рис. 132) больше, чем в спектре быстрой флуоресценции,
и все еще была велика в сильно разбавленных растворах, rде
быстрая фJlуоресценция димеров отсутствовала вовсе.
Интенсивности замедленной флуоресценции как мономера,
так идимера бы.'Iи пропорциональны квадрату скорости поrло-
щения света, поэтому Паркер и Хатчард предложили следую-
щий механизм, в Котором замедленная флуоресценция возни-
кает в результате триплет триплетноrо взаимодействия. В случае
* Первое исё;едование этоrо типа Бы 1 оo опубликовано Херкулесом [1],
затем последовало большое число работ по электрохемилюминесценции (см.
обзпры [2, 3]). Чандроссу и 30HHTary [4] удалось возбудить люминесценцию
еще одним r:пособом при сливании двух растворов, один из которых со'
держал к:\тион раДИКалы, а друrой анион радикалы.
1. Hercules D. М., Science 143,808 (1964).
2. Hercules D. М., Acounts Chem. Res., 2, 301 (1969).
. з. Zweig А., Adv. in Photochel11., 6, 425 (1968).
4. Chaпdross Е. А., Soппtag Р. 1., J. Ат. Chel11. Soc., 86, 3179 (1964). ПРltм.
ред.
.......
ос
01
::r
:t
t,j
Е
t.)
о
:t
t.)
1:
Таким образом, при быстрой флуоресценции сначала образуется
синrлет возбужденный мономер, а при замедленной возбуж,
u д О l p ' l'
денныи имер. чевидно, если и Р2 испускают свет до
Toro, как между ними установится равновесие, то вклад испу-
скания димера в замед- kg[S*J
ленную флуоресценцию r ,
будет при всех концентра- ...
циях больше ero вклада в :
быструю флуоресценцию, $*
а при уменьшении кон-
центрации пирена относи-
тельная интенсивность за-
медленной флуоресцеНЦИF
димера будет снижаться
до постоянноrо конечноrо
значения. Этот механизм
иллюстрируется схемой
на рис. 133, и качественно
он объясняет особенно-
сти спектров, приведен-
ных на рис. 131 и 132.
Паркер и Хатчард по S
казали также, что этот
механизм допускает и
количественную ИНтер
претацию их измерений при комнатной температуре, на чем мы
кратко остановимся.
В MOMeHTf,I измерения замедленной флуоресценции возбуж
дающий свет перекрыт, концентрации возбужденных синrлет-
ных состояний s' И s; определяются процессами (406) и, если
частота прерываний 800 rц, они лишь незначительно умень-
шаются за время TeMp.oBoro промежутка, поскольку время
жизни замедленной флуоресценции составляет около 3 5 мс.
Поэтому для концентрации S. в стационарном состоянии можно
С'lЕЦИАЛЬНЫЕ вопросы и nРИМЕНЕНИЕ
347
быстрой флуоресценции синrлет возбужденные мономеры и воз-
бужденные димеры получаются в следующих процессах:
' Р hv I p ' +'Р l p '
+ + 2.
( 405)
После выключения возбуждающеrо света концентрации обоих
возбужденных Состояний быстро снижаются, Принимая значе
ния, которые определяются триплет триплетным взаимодей
ствием:
3 р + 3p Ip; Ip' + J p .
( 406)
440
480
520
A.llUHQ BO.llHbl, нм
Рис. 131. Быстрая флуоресценция пирена в этаНQле [34].
1 3.1O 3 М; 2 10 3 М; 3 3.IO 4 М; 4 2.10 6 М. Чувствительиость для кривых 1 и 4
примерио в 0,6 и 3,7 раза больше. чем для кривых 2 и 3. Коротковолиовые края спектров
более коицеитрироваииых растворов искажеиы из-за самопоrлощеиия.
400 480 520
Д,.;!ина вО.llНЬ1, н-и
Рис. 132. Замедленная флуоресценция пирена в этаноле [34].
1 3.IO 3 М; 2 IO 3 М; 3 3.IO 4 М; 4 2.10 6 М. Чувствительность примерно в 1000 раз
больше, чем для соответствующих кривых на рис. 131. Коротковолиовые края спектров
более концентрироваиных растворов искажеllЫ вследствие самопоrлощеиия.
1
1
1
1
I
1
1
1
I
1
1
i. .
'
: "< '::с'"
1
1
I
1
I
I
t 7
5-11
?
\
\""
\?>'"'
\
\
'j:;' 1
........1
..,1
"<1
I
I
I
I
I
1
1
1
I
1
1
I
I*'
I
I "
I
I
1
1
I
J
I
g
Oi'
5
1::I:t
q)
t!!"'=
O::
gg.
....,
....'"
*'
<lIt....
,
,
l'
I ;J I
. I ,
11 I ,
11 I \
J ,
3 Z
.,
rJ.
)
. .
Рис. 133. Механизм быстрой и замедлен
ной флуоресценции пирена в этаноле [34].
348
r ЛАВА IV
СПЕЦИАЛЬНЫЕ вопросы И ПРИМЕНЕНИЕ
349
записать слеДУЮLЦее уравнение (обозначения констант скорости
см. на рис. 133):
kd r s ;]:::::: (k f + k n + kg + kAc) [S'].
Отсюда для отношения эффективностей замедленной
ценции димера и мономера получаем
8 D kf[s;] k; (k f + k n + kg) kfk A
8 м == k f [s*] == kfk d + kfk d С
(408)
При более высоких температурах доля димеров в замедленной
флуоресценции была почти такой же, как и в быстрой флуорес-
ценции (табл. 42); по-видимому, при этих температурах до ис-
пускания флуоресценции успевало установиться равновесие
между возбужденным димером и возбужденным мономером.
С повышением температуры равновесие сдвиrалось в сторону
i
......
t:r
f
qj
ff
I
й
5
( 407)
флуорес-
или
eD/e M == К 2 + КэС,
(409)
т. е. при низких концентрациях пирена отношение eD/e M стре-
мится к постоянному предельному значению К2. Измерения
в наиболее разбавленном растворе показали, что оно равно
О, 706. Постоянными оказались и величины КЗ и Кl [см. уравне-
ние (382)], получеНные в опытах с более концентрированными
растворами. Таким образом была дана исчерпываЮLЦая коли-
чественная интерпретация (см. также ориrинальную работу
[34]) тех данных о пирене, которые были известны в то время
однако в свете дальнейших ОПЫтов ее пришлось несколько видо
изменить (см. раздел IV, Д, 3).
2. Нафталин в этаноле при нuзкой teJ!-tnературе
Если отсутствие испускания димеров в замедленной флуо-
ресценции (например, антрацена) указывает на очень быструю
диссоциацию димера, то можно ожидзть, что С понижением тем-
пературы скорость диссоциации димера настолько уменьшится
что ero испускание можно будет наблюдать (по крайней мере'
для некоторых соединений). Действительно, было показано [179]:
что в спектре замедленной флуоресценции разбавленных рас-
творов антрацена в этаноле при 750C проявляется довольно
интенсивная полоса димера, но наиболее подробно были иссле-
дованы растворы нафталина в этаноле [112]. Так, при 105° С
и концентр ации 3. 1 0 2 М В спектре быстрой флуоресценции об-
наруживались обе полосы и мономера и димера (рис. 134,
кривая а), подобно тому как это было в опытах Дёллера и Фёр
стера [257] по флуоресценции при низкой температуре толуоль-
ных растворо&. Эти полосы были найдены также и в спектре
замедленной флуоресценции, однако относительная интенсив-
ность димерной полосы в этом случае была MHoro больше
(рис. 134, кривая б). При более низкой концентрации (3.10 3 М)
интенсИlJНОСТЬ полосы димера в спектре быстрой флуоресцен-
ции была очень мала, но в спектре замедленной флуоресцен-
ции все eLЦe значительна (табл. 42). Таким образом поведение
растворов нафталина при 105°C качественно было' таким же,
как поведеНие растворов пирена при комнатной температуре.
Д UHa БО НЫ, н.и
Рис. 134. Быстрая и замедленная флуоресценция 3.10 2 М l>acTBopa наф-
талина в этаноле [112].
а быстрая флуоресценция при 1050 С при чувствительности Х 1; б замедленная флуо.
ресuеиция при 1050 С при чувствительиости Х60; в замедлениая флуоресuенция при
+220 С при чувствительности X140. Возбуждение светом 313 им со стороиы иаблюдения.
мономера, приводя к уменьшению вклада димера как в быст-
рую, так и в замедленную флуоресценцию (табл. 42), пока, на-
конец, вклад димера в замедленную флуоресценцию не стано-
вился едва заметным даже при высоких концентрациях
(рис. 134, кривая 8).
На этой стадии исследований создалось впечатление, что
механизм Паркера Хатчарда дает исчерпываюLЦУЮ интерпре-
тацию явлею'1Я замедленной флуоресценции типа Р и что на-
блюдаЮLЦиеся для различных соединений при разных темпера
турах вариации вклада димерноrо испускания обусловлены
изменениЯМи положения равновесия между возбужденными мо-
номером и димером и изменениями скорости установления ЭТО
ro равновесия. Однако на самом де.']е все оказалось сложнее.
350
r ЛАВА IV
СПЕЦИАЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ И ПРИМЕНЕНИЕ
351
Концентрация
нафталина, М
Температура,
ос
замедлеиная
флуоресценция
пирена. Результаты, полученные с пиреном и бенз (а) пиреном,
приведены на рис. 135. С понижением температуры отношение
8 D /8 M сначала растет, но затем в полном противоречии с вЫше
приведенными заключениями падает, так что вклад димерноrо
испускания при 110° С оказывается малым Kal( До'Iя пирена,
так и для бенз- (а) ,пирена. Стивенс и сотр. [85] объясняли ре-
зультаты тем, что при низких температурах важную роль начи
нает иrрать друrой механизм триплет триплетное взаимодей
ствие на расстояниях, больших, чем это требуется для образо-
вания возбужденноrо димера. Кроме Toro, они предполаrали,
что при низкой температуре образование возбужденноrо димера
может быть затруднено вследствие существования энерrии ак-
тивации. Результаты Паркера хорошо соrласуются с этой точ
кой зрения, и, действительно, все имеющиеся сейчас опытные
данные по замедленной флуоресценции жидких растворов [179]
MorYT быть интерпретированы в рамках комбинированноrо Me
ханизма Паркера Стивенса [см. уравнение (411)], предпола
rающеrо, что при высокой температуре rлавную роль иrрает
триплет триплетное взаимодействие при столкновениях молекул
[уравнение 411 (а)], при низкой дальнее триплет-триплетное
взаимодействие [уравнение 411 (б)], а в промежуточном интер-
вале температур существенны оба процесса.
l' l' l A
(а)/, A2 А +
3А+3А/ -(411)
""
(б)'\а IA' + IA
Биркс и сотр. [277] приняли несколько иную комбинацию
механизмов. Они предположили, что в результате триплет три,
плетноrо взаимодействия образуется высшее возбужденное co
стояние димера, которое затем либо испытывает быструю KOH
нерсию в нижнее возбужденное состояние димера, либо
распадается на электронно-возбужденный иневозбужденный
мономеры (в соотношении а: 1), а именно
Таблица 42
Относительные интенсивностн полос испускания дим ера
и мономера нафталина в этаноле [112]
Отношение интенсивностеfi (в максн,
муме) дим ера н мономера
быстрая
флуоресценция
3. 10 2
3. 10 3
22
23
50
67
105
22
50
77
105
<0,03
0,04
0,12
0,26
0,34
<0,03
<0,03
<0,03
<0,03
0,03
аЖ>
O,J3
0,28
0,60
<0,03
0,03
0,09
0,17
3. Растворы пuрена при нuзкой Te/lotnepaType
Если мы исходим из Toro, что механизм Паркера Хатчар-
да правилен, то для предсказания влияния температуры на
спектр замедленной флуоресценции следует использовать урав-
нениЕ'> (408). При ДОt:таточно низких концентр ациях пирена
можно пренебречь испусканием димrров в быстрой флуоресцен.
ции, и уравнение (408) принимает следующий вид:
k f (k f + k n + kg) k f
ем kfk a kdqJ .
(410)
При понижении температуры kd уменьшается, а cp растет.
Но при комнатной температуре cp === 0,7, т. е. уже достаточно
велико,' и ero дальнейшее увеличение не сможет уменьшить
8 D /8 M более чем до 70 % ero значения при комнатной темпера-
туре. Поскольку при уменьшении температуры константа ско-
рос?и kd сни .?-ется непрерывно, то можно ожидать, что суммар-
ныи эффект сведется к увеличею';ю отношения 8 D /8 M , а при
очень низкой температуре kd будет пренебрежимо мало, и вся
замедленная флуоресценция будет представлять собой испуска-
ние димера.
Растворы, достаточно разбавленные для Toro, чтобы можно
было проверить следствия из уравнения (41 О), были исследо-
ваны Паркером [86], повторившим работу Стивенса и сотр. [85],
В которой были изучены более концентрированные растворы
1 .
7f А 2
3A+3A IA '( .и (412)
>lIA*+IA
Кинетически этот механизм подобен механизму Паркера Сти-
венса в том смысле, что он дает еще один путь образования
синrлет-возбужденноrо мономера (в обход состояния lА;) и,
следовательно, позволяет избежать трудностей объяснения дан-
ных рис. 135 в рамках уравнения (410). При любой данной
352
t' ЛАВА tv
температуре полученные Бирксом и ero сотрудниками значе-
ния а можно интерпретировать с точки зрения обоих механиз
мов, поскольку в механизме Паркера Стивенса они представ-
ляют собой отношения скоростей процессов 411 (а) и 411 (б).
Механизм Паркера Стивенса дает приемлемое качественное
объяснение Toro, почему отношение концентраций димера и мо-
номера должно при низких температурах уменьшаться. В этих
условиях скорость диффузии становится меньше, триплетные
молекулы дольше нахо-
дятся на расстояниях,
блаrоприятствующих пе-
реносу энерrии от трипле-
та к триплету, и можно
ожидать, что большая их
доля будет взаимодей-
ствовать, не приводя к об-
разованию возбужденноrо
димера; при низкой тем-
пературе дополнительным
препятствием может быть
наличие энерrии акти-
вации у процесса образо-
вания возбужденноrо ди-
мера. По мнению Парке-
ра [278], недостатком ме-
ханизма Биркса является
необходимость предпола-
raTb, что при НИЗкой температуре скорость диссоциации высоко-
возбужденноrо димера больше скоростей конкурирующих реак-
ций; поэтому предпочтительнее механизм Паркера Стивенса,
предполаrающий дальний перенос энерrии от триплета к три-
плету, существование KOToporo в жестких средах не вызывает
никаких сомнений (раздел II, r, 3). Эту точку зрения подтвер-
ждают и результаты опытов с производными антрацена [179].
Позднее Биркс [443] предложил механизм, в котором предпола
rается образование квинтуплетноrо состОЯния димера, имеющеrо
меньшую энерrию, чем lА;, и ero термическая активация и ин-
1 *
теркомбинационная конверсия в состояние А 2 .
1,2
1,0
,. 0,8
(1)
0,6
100
+20
+60
-60
20
Температура, ос
Рис. 135. Влияние температуры на отно,
шение испускания ДИМера к испусканию
мономера в спектре замедленной флуорес
ценции [86J.
1 2.10 5 м раствор пиреиав этаноле;2 lо 5 М
. раствор бенэ-(а)-пирена в этаноле.
СПЕЦИАЛЬНЫЕ вопросы И nr:>ИМЕНЕНИЕ
353
ст р анить на общий случай системы, в которой идут различные
l А *
процессы, причем HeKOTopь e из них заселяют состояние .
а некоторые состояние lА 2 . Энерrия в эту систему может под-
водиться путем начальноrо фотовозбуждения, поrлощения иони-
зирующеrо излучения, химической реакции или при помощи
любоrо друrоrо способа возбуждения. Независимо от способа
возбуждения, процессы, заселяющие систему возбужденных
состояний, которую можно представить в виде уравнения
lA* + lA lА;, (413)
можно разделить на две rруппы, а именно: а) про ес*сы, дающие
сначала lА *, и б) процессы, дающие сначала А 2 . Их пол-
ные скорости мы обозначим RM и RD соответственно и, исполь-
зуя обозначения уравнений (375) (381), напишем следующую
общую кинетическую схему:
ААС
) R
RM ( А * 1"" ( D
) " -( k "2
./ \ .:,) ( (414)
Чтобы выразить отношение испускания димера к испуска-
нию мономера (ФD/Фм) через константы скорости, предполо
жим что концент р ации Т р иплетнЫх молекул, получающихся из
, 1 *
состояния lA * (со скоростью k g [1A *]) или из состояния А 2 (со
скоростью, включенной в член k [lAj]), не настолько велики.:
чтобы их бимолекулярное взаимодеиствие вносило заметныи
вклад в скорости RM И RD. Иными словами, предположим, что
l А * l A *
стационарные концентрации и 2 не превышают те зна
чения, при которых замедленная флуоресценция типа Р подчи
няется квадратичному закону. При этом мы, разумеется, не
исключаем процессы, которые приводят непосредственно к об-
разованию триплетных молекул (например, рекомбинацию
электронов и ионов). При этих предположениях уравнения ста-
ционарности для lA* н lA; можно записать в следующем виде:
(k f + k n + kg + k АС) [lA*] == RM + kd [lA;] (415)
4. Общий механизм возбуждения испускания мономера
идимера
Механизмы типа предложенных Стивенсом и cotp. [85] или
Бирксом и СОТр. [277, 279], предполаrающие прямое заселение
состояний lA* и lА; [уравнения (411) и (412)], можно распро
и
(ki + k + k d ) РА;] == R D + k АС РА*].
Следовательно,
ФD kiPA;] kiTD[(a/,r +(1+a)kAcl
фм == k f [IA*J == k f (1 + aTDk d )
(417)
( 416)
12 3ак, 1281
354
r ЛАВА IV
СПЕЦИАЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ И ПРИМЕНЕНИЕ
335
[де a===RD/R M , а 't D и 't Bpe\feHa жизни димера и моно мера
при бесконечном разведении, выражаемые следующими фор
мулами:
ФD/ФМ === К' + К"с,
( 419)
теля: поляризация и водородная связь, влияние вязкости, влия
ние тяжелых атомов, химическое взаимодействие в основном
состоянии, фотохимические реакции. Химическая реакция воз-
бужденноrо синrлетноrо или триплетноrо состояния с раствори
телем представляет собой дополнительный путь потребления
возбужденных молекул и, очевидно, должна приводить к туше
нию соответствующей люминесценции. Примерами MorYT слу-
жить антрацен в четыреххлористом уrлероде (тушение флу-
оресценции) или бензофенон в этаноле (тушение триплетов).
При 77 К такие реакции часто сильно замедляются. При peaK
ции растворителя с невозбужденными молекулами MorYT полу
чаться новые частицы, имеющие СВОй собственный спектр по-
rлощения, и это может влиять на люминесценцию: она будет
менее интенсивной, чем в «нереакционноспособном» раствори-
теле, и.r.и возникнет новая полоса флуоресценции. Ниже в спе
циальном разделе обсуждается -эффект водородной связи, кото-
рая, в частности, также приводит к заметным изменениям
спектра поrлощения. Растворители, содержащие тяжелые ато-
мы, усиливают спин орбитальное взаимодействие и таким пу-
тем повышают скорости интеркомбинационной конверсии и, сле-
довательно, снижают выход флуоресценции и увеличивают эф-
фективность образования триплетов (см. раздел IV, А, 4). Если
такие растворители не тушат триплеты (например, твердые рас-
творители при низкой температуре), 1'0 они MorYT повысить
эффеКТИВНОСТL фосфоресценции. Наконец, существует и «три-
виальный» эффект, который тем не менее имеет важное практи-
ческое знаtiение: если растворитель сильно поrлощает при дли-
не волны возбуждающеrо света, то он будет действовать как
внутренний фильтр и люминесценция будет слабой или исчезнет
(см. раздел 111, З). Это автоматически оrраничивает выбор рас-
творителей, приrодных для коротковолновоrо возбуждения.
1/'tD==:kf+k +kd' }
1/'t === k f + k n + kg. (418)
Чтобы использовать общее уравнение (417), нужно знать за-
висимость величины а от концентрации вещества с или же сде-
лать о ней определенные предположения. Для систем, в кото-
рых а от концентрации не зависит, т. е. если RM и RD одина
ково изменяются с концентрацией, уравнение (417) принимает
вид
и rрафик зависимости отношен.ия ФD/ФМ от с представляет
собой прямую линию, из которой
К"/К'===(1 + l!a)kA't . (420)
Формула (417) эквивалентна уравнению, впервые получен-
ному Бирксом [279] для случая замедленной флуоресценции воз-
буждаемой светом. Константы Кз и К 2 [см. уравнение (409)],
рассчитанные Паркером и Хатчардом для пирена в этаноле
К " К ' Б '
эквивалентны константам и . иркс И сотрудники приме
нили этот метод для определения константы а замедленной
флуоресценции 1'ипа Р пирена в этаноле (а == 2,0) [279] и пи-
рена, .1,2 бензантрацена и 5'метил I,2 бензантрацена в цикло-
[ексане (а == 2,0, 0,9 и 0,9 соответственно [277]). Паркер и
Шорт [280] установили, что при электрохемилюминесценции
9,10 диметилантрацена в диметилформамиде испускание MOHO
мера и дим ра подчиняется уравнению (419), причем обе кон-
станты увеличиваются при снижении температуры и напряже
ния. Значение К' при низкой температуре и низком напряжении
оказалось rораздо больше, чем значение К 2 [см. уравнение
(409)], найденное Паркером и Джойс [179] для замедленной
флуоресценции, возбуждаемой при тех же условиях светом;
это указывало, что тоиплет триплетная анниrиляция не была
rлавным источником электрохемилюминесценции.
Е. ВЛИЯНИЕ. РАСТВОРИТЕЛЯ
2. Поляризация u сольватация
При обсуждении влияния сольватации и водородной связи
МЫ должны четко различать влияние на спектр поrлощения и
влияние на спектр испускания. В разделе 1, Б, 3 мы уже OCTa
навливались на том, почему О-О полосы в спектрах поrлощения
и флуоресценции не совпадают. Разность энерrий появляется
в результате Toro, что сразу после поrлощения света конфиrу
рация ядер сольватированной молекулы оказывается такой же,
как и у невозбужденной молекулы (принцип Франка KOH
дона), но, вообще rоворя, иной, чем равновесная конфиrурация
в возбужденном состоянии. Дипольное притяжение между рас-
творителем и возбужденными или невозбужденными молеку
лами может быть обусловлено как постоянным, так и наведенным
12*
1. Общие замечания
Спектры флуоресценции и фосфоресценции и их эффектив-
ность подвержены мноrообразным влияниям растворителя. Не-
которые из них сложны И пока еще недостаточно хорошо иссле.
дованы. Можно выделить следующйе виды ВJIИЯНИЯ раствори-
356
r ЛАВА !V
СПЕЦИАЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ И ПРИМЕНЕНИЕ
357
А + S AS..!!:i. (AS)*,
А* + S (AS)*.
(421)
(422)
ПО Веллеру [241], введение таких акцепторов, как триэтиламин
или пиридин, в раствор 3 оксипирена в метилциклоrексане при-
водит к длинноволновому сдвиrу на 0,03 MKM l спектра поrло-
щения этоrо соединения. Образование водородной связи сопро-
вождается уменьшением эффективности флуоресценции. Веллер
получил аналоrичные результаты и с нафтолом и пришел
к выводу, что возбужденный комплекс с водородной связью
может образоваться по обоим приведенным выше механиз-
мам [уравнения (421) и (422)]. ПО уменьшению эффективности
флуоресценции он рассчитал константы скорости образования
водородной связи в возбужденном состоянии, которое можно
считать предварительной стадией диссоциации кислотЫ (т. е.
полноrо переноса протона к основанию, см. раздел IV, В), при
водящей к rораздо б6льшим сдвиrам полос поrлощения.
Как мы видели в разделе 1, Б, 6, увеличение полярности вы-
зывает коротковолновый сдвиr л;* п полос поrлощения и
меньший сдвиr л;* л; полос в длинноволновую сторону. Со-
стояние л;* п обычно имеет наименьшую энерrию у тех про
стых молекул, которые содержат атомы с неподеленной парой
электронов. Блаrодаря большому времени жизни такие соеди
нения флуоресцируют плохо. Если у HeKoToporo соединения
энерrии нижних л* л и л;* п-состояний одинаковы, то мо-
жет оказаться, что в инертном растворителе самЫм нижним со-
стоянием будет л* п, которое, однако, сдвиrается в KOpOTKO
волновую сторону В полярных растворителях или смесях так,
что нижним становится состояние л* Л. Можно ожидать, что
такие соединения будут флуоресцировать в полярном раствори-
теле, но в уrлеводородном растворителе флуоресцировать не
будут. Примером служат хлорофиллы а и Ь, флуоресценция
которых в чистых сухих уrлеводородах отсутствует, но появ-
ляется при добавлении небольших количеств воды [282]. Так же
ведут себя хинолин и акридин [283], флуоресценция которых
усиливается с ростом полярности растворителя.
Те осложнения, которые возникают при наложении сдвиrа
л* п-уровней на влияние водородной связи, хорошо иллю
стрирует интересная работа Бредерика, Фёрстера и Эстерлина
[284]. у низших альдеrидов синrлет-возбужденным состоянием
с наименьшей энерrией является состояние л* п, и они не
флуоресцируют. С увеличением размеров системы ароматиче
ских колец оба типа состояний сдвиrаются в сторону меньших
энерrий. При этом л* л состояние сдвиrается сильнее, чем
л* п, становится в конце концов самым нижним возбужден-
ным синrлетом, и поэтому наиболее сложные ароматические
аЛЬдеrиды являются флуоресцирующими. Бредерик и сотрудни
ки считают, что пирен 3 альдеrид занимает промежуточное по
ложение, т. е. ero л* Л' И л* n-состояния имеют примерно
дипольным моментом, а сольватация происходит в блаrо-
приятнь х случаях в результате образования водородной связи.
Под деиствием всех этих причин равновесные конфиrурации
OCHoBHoro и возбужденноrо состояний MorYT оказаться различ-
ными, и, как показано на рис. 4, чем больше разность энерrий
этих двух конфиrураций, тем больше разность частот О-О полос
поrлощения и испускания. Поскольку замена растворителя из
меняет разность энерrий конфиrураций, постольку при этом
будет изменяться и расстояние между О-О полосами. Повышение
пС\лярности растворителя приводит к увеличению О-О-расщепле-
ния. Это происходит даже тоrда, коrда молекулы вещества не
обладают постоянным дипольным моментом, так как при
возбуждении изменяется поляризуем ость. Молекулы, обладаю-
щие постоянным дипольным моментом, испытывают дополнитель-
ное влияние. rораздо более сильное влияние наблюдается в слу-
чае образования водородпой связи между растворителем и рас-
творенным веществом. Этот эффект мы рассмотрим в следую-
щем разделе.
3. Водородная связь
Соединения, содержащие СО, OH, NH2 и друrие rруппы,
MorYT образовывать с некоторыми растворителями водородные
связи как в основном, так и в электронно-возбужденном состоя-
нии. ВозбуждеЩlые состояния, связанные с молекулами рас-
твори,еля (S) водородной связью, MorYT быть получены двумя
путями:
Влияние водородной связи в основном состоянии исследовали
HaraKypa и Баба [281]. В протоноакцепторных растворителях
(например, в диоксане) кажущиеся дипольные моменты фенола
и анилина оказались аномально большими, а красные сдвиrи
полос поrлощения также нсобычно велики по сравнению с ди
польными моментами и сдвиrами полос в алифатических уrле
водородах. Этот эффект наблюдается при сравнительно низких
концентрациях диоксана в rептане, И, поскольку в O или N Me
тилированных ПРОИЗВОДных он отсутствовал, авторы приписали
ero образованию комплексов с водородной связью:
CH2 CH2
t===\ /"
j' OH'" О О
,,/
CH2 CH2
358
r ЛАВА IV
Сf1ЕЦИАЛЬНЫ!': Bortpocbi И ПРИМЕНЕшlЕ
359
одинаковые энерrии. Это соединение не флуоресцирует в rеп
тане и диэтиловом эфире, слабо флуоресцирует в хлорбензоле
и ацетонитриле и очень сильно в этаноле, уксусной кислоте или
смесях ацетонитрила с водой. Возрастание эффективности флуо
ресценции (при замене растворителя) сопровождается переме-
щением полосы флуоресценции из фиолетовой области в rолу
бую, хотя максимум поrлощения (т. е. п* п-полоса, которая
полностью маскирует rораздо более слабую п* п-полосу) ис-
пытывает при этом сравнительно небольшой СДВИr в красную
сторону. Большой красный сдвиr флуоресценции указывает на
то, что в полярном растворителе за время жизни возбужденноrо
состояния п* л происходит значительная сольватация этоrо
состояния. Бредерик и сотрудники считают, что именно повы-
шенная сольватация п* п состояния в полярных растворите-
лях приводит к изменению относительной заселенности двух
типов возбужденных состояний и, СJlедовательно, к изменению
отношения скоростей конкурирующих излучательных и безыз-
лучательных процессов.
Бредерик и сотрудники установили, что при введении в не-
активный растворитель вышеупомянутых умеренно активирую-
щих растворителей эффективность флуоресценции растет посте-
пенно (в противоположность хлорофиллам) и достиrает макси'
мальноrо значения лишь в чистом активирующем растворителе.
Однако в случае сильно активирующеrо растворителя флуорес
ценция резко усиливается с ростом ero концентрации, и, напри-
мер, e интенсивность имеет заметное значение уже в 10 З М
растворе трихлоруксусной кислоты в rептане. При низких кон-
центрациях характер спектров такой же, как и в умеренно акти-
ВIfРУЮЩИХ растворителях они обладают структурой, располо
жены при сравнительно высоких волновых числах и не испыты-
вают KpacHoro сдвиrа. Однако при высоких концентрациях три-
хлоруксусной кислоты В спектре появляется дополнительный
максимум при более длинных волнах, который при увеличении
концентрации сдвиrается в сторону длинных волн, так что, на-
пример, при концентрации 1 М флуоресценция становится зеле-
ной. Авторы предположили, что, поскольку активация при низ
ких конu.снтрациях трихлоруксусной кислоты не сопровождается
красным сдвиrом, она обусловлена не уменьшением энерrии
флуоресцеНТНОI'О п* п состояния, а повышением п* п уровня
относительно уровня OCHoBHoro состояния. Далее, ее нельзя
объяснить реакцией в возбужденном состоянии, поскольку эф-
фект наб.пюа:ается при низких концентраци х. Таким образом,
активация обусловлена, вероятно, взаимодеиствием в Основном
состоянии, которое приводит к образованию новых частиц
комплексов с водородной связью. Этот вывод, по-видимому, под-
тверЖдаеТс5! измене1:lИЯМИ в спектрах поrлощения.
Свои результаты Бредерик, Фёрстер и Эстерлин суммируют
следующим образом. Способность соединения флуорес ировать
определяется расщеплением синrлетных состо нии п л И
п* п. Если оно достаточно мало, то заменои растворителя
можно изменить ero знак. Сделать это можно двумя путями.
Слабо или умеренно активирующие растворители (такие, как
*
хлороформ, этанол) понижают энерrию состояния п п за
А Б В r
n"-:;;
.......,.......
"'"
л"-п
.......,.......
Л---л .
""-п
JI'::.!!.......
::
&1
&
::1',
t
",'.л
G
G
G
Рис. 136. Влияние растворителя на относительно расположение OCHoBHoro
(О) и возбужденных энерrетических уровнеи пирен-3 альдеrида.
А внеполярном растворнтеле; Б в умеренно актнвнрующем растворителе, образую
щем водородную СВЯЗЬ с возбужденным n'i'.... n состоянием; В при Нii3КИХ концентрз*циях
сильно аКТИБирующеrо растворителя, образующеrо водородные свЯзи с основным :it ....:it
возбужденным состоянием; r.... при высоких концентрациях сильно аКТИБирующеrо ра.
створителя, дзющеrо дополнительный эффект ПолНоrо переиоса протона.
счет усиления взаимодействия возбужденноrо состояниuя с доба-
вочными молекулами, не участвующими в водороднои связи С
невозбужденными молекулами вещества. Влияние сильно акти-
вирующих растворителей (например, трихлоруксусной кислоты)
В области их низких концентраций сводится к повышению энер-
rии п* п-состояния за счет образования водородной связи в
основном состоянии, а в области высоких концентраций, [де
красный сдвиr чрезвычайно велик, к переносу протона в воз-
бужденном состоянии, который дополнительно облеrчается др у-
rими молекулами активатора. Эти выводы иллюстрирует схема,
Приведенная на рис. 136.
4. Влияние вязкости
Соrласно уравнению (80), вязкость растворителя ОСНоВНой
параметр, который определяет скорость реакций, контролируе-
Мых диффузией. Поскольку время жизни триплетов в жидкости
360
r ЛАВА !V
СПЕЦИАЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ И ПРИМЕНЕНИЕ
361
ча то определяется rлавным образом следами тушащих приме-
сеи в растворителе, а СКОРОСТЬ тушения обычно близка к диф-
фузионному значению, то для растворителей одинаковой степе
ни чистоты наибольшее время жизни и максимальная интенсив
ность фосфоресценции будут наблюдаться в том из них,
у KOToporo наибольшая вязкость. Рост эффективности фосфорес
ценции с понижением температуры объясняется, вероятно, тем,
что при этом увеличивается вязкость. Однако не очень просто
решить, связано ли это с влиянием вязкости на тушение кон-
тролируемое диффузией, или с влиянием на интеркомбинdцион-
ную конверсию из триплетноrо состояния в основное. Например,
было сделано предположение, что резкое возрастание эффектив-
ности фосфоресценции эозина в rлицерине при 600 С [19] обус
ловлено тем, что при этой температуре внезапно повышается
же;ткость растворителя, замораживаются колебания триплет
нои молекулы и, следовательно, затрудняется безызлучательная
интеркомбинационная конверсия в основное состояние. Эта нол
при этой температуре все еще жидкий, и в нем такой эффект не
наблюдается. С друrой стороны, Стивенс и Уокер [115] показа-
ли, что времена жизни триплетов некоторых ароматических уrле
водородов в жидком парафине изменяются с температурой так,
как это следовало бы ожидать, если бы основную роль иrрало
тушение примесями, контролируемое диффузией (см. раздел
IV, Б, 1). Har лядным свидетельством влияния вязкости на
диффузионное тушение служат изменения эффективности фос
форесценции в насыщенном воздухом растворителе (например,
в смеси эфир пентан спирт) при переходе от комнатной тем-
пературы к 77 К. При комнатной температуре фосфоресценция
полностью п(\тушена кислородом, однако в твердом растворе при
77 К она интенсивна, и эффективность фосфоресценции не зави
сит от Toro, был ли удален кислород из растворителя перед за-
мораживанием.
Чтобы потушить быструю флуоресценцию, требуются столь
высокие концентрации тушителя (см. раздел II, Б, 2), что туше
ние примесями редко создает непреодолимые трудности. Наи-
более вероятным источником тушения флуоресценции является
растворенный кислород. Тушение кислородом может быть зна-
чительным..!3 насыщенных воздухом растворах тех соединений,
у которых исключительно вел.ико время жизни флуоресценции.
Например, если разбавленныи раствор пирена в циклоrексане
наСЫТИ1Ь воздухом, то это приведет примерно к 20-кратному ос-
лаблеаию флуоресценции [43]. В жидком парафине или rлице-
рине тушение rораздо слабее ВС.ТIедствие большей вязкости этих
растворителей. Очевидно, что при исследовании более специфи-
ческих эффектов растворителя очень важно проводить опыты
так, чтобы исключить тушение кислородом.
Влияние и температуры и вязкости на эффективность флуо-
ресценции в растворах исследовали Боуэн и Симан [24]. Энер
rия активации тушения флуоресценции rибких молекул, напри
мер ди 9 антрилэтана, оказалась близкой к энерrии активации
текучести растворителя. Отсюда можно было сделать вывод о
том, что деrрадация энерrии электронноrо возбуждения осуще
ставляется путем относительноrо термическоrо диффузионноrо
движения двух больших кольцевых систем, соединенных rибкой
цепью. Влияние вязкости на энерrию активации жестких моле
кул (антрацен) было rораздо меньше.
Более сложным является влияние вязкости на эффективность
замедленной флуоресценции типа Р. С одной стороны, при YBe
личении вязкости замедляется тушение триплетов примесью и
поэтому возрастает их время жизни. С друrой стороны, при этом
уменьшается и скорость встреч триплетов с триплетами; правда,
перенос энерrии от триплета к триплету может происходить и на
расстояниях, превышающих расстояние встречи. В растворах на-
фталина в этаноле [112] суммарный эффект состоит Е умеренном
росте величины e/ffif при понижении температуры от +20 до
800 С; так же ведут себя и некоторые друrие ароматические
yr леводороды.
5. Разрешение колебательных полос и эффект
LUnОЛЬСКОZО '
Хорошо rазрешенную КО,;lIебательную структуру спектров
флуоресценции при комнатнои температуре имеют те молекулы,
которые обладают жесткой структурой колец с минимальным
числом замещающих rрупп. При комнатной температуре в жид
ком растворе ширина колебательных полос составляет несколько
сотых обратноrо микрометра. Примером может служить спектр
пирена в этаноле (рис. 137, б), полученный с помощью двойноrо
кварцевоrо призменноru монохроматора при ширине щели
0,04 мм, что соответствовало полуширине полосы 0,38 нм
(0,0024 MKM I) при 400 нм; очевидно, таким образом, что раз
решение в данном случае не лимитирdвалось характеристиками
прибора. Полосы будут лишь HeMHoro уже, если записать спектр
при комнатной температуре в насыщенном уrлеводороде. [о-
раздо более резкая структура получается в жесткой стеклооб-
разной среде при 77 К (рис. 137, а), но ширина полос все еще co
ставляет 0,01 0,02 MKM l. Друrие соединения в данных усло
виях редко имеют более узкие полосы.
Интересная картина наблюдается, если в качестве раствори
теля подобрать нормальный парафин, который при заморажива-
нии при 77 К (или более низкой температуре) дает тонкокри-
сталлическии твердый раствор [285]. Наблюдаемые в стекле сра-
СПЕЦИАЛЬНЫЕ вопросы и ПРИМЕНЕНИЕ
363
362
r ЛАВА IV
внительно широкие колебательные полосы расщепляются на ce
рии чрезвычайно узких линий в блаrоприятных случаях их
ширина составляет 0,0002 0,0003 MKM I, в неблаrоприятных
до 0,001 MKM I. Расположение линий является реrулярным, а за-
висимость от растворителя весьма интересна. Впервые такие
резкие спектры были получены Шпольским и сотрудниками, ко-
торые, используя фотоrрафическую методику, исследовали сна-
чала растворы коронена [286], а позднее пирена и бенз (а) пи
рена [287]. Их данные IIодтвердили Боуэн и Броклхерст [288],
'
""'
:t1
..
:a:
01)\1)
::1'1:
\1"--'
а
d
наиболее блаrоприятствующим возникновению квазилинейчатыХ
спектров, является приблизительное совпадение размеров моле-
кул растворителя и pacTBopeHHoro Be:r ecTBa. При этом молекула
вещества заменяет в кристаллическои матрице моле улу paCTBO
рителя. При недостаточно хорошем соответствии между веще-
ством и растворителем спектры становятся размытыми. Так, у
пирена (длина молекулы 0,7 нм) наиболее резкий спектр полу-
чается в H reKcaHe (0,88 нм), а у бенз (а)-пирена (1,0 нм) B
н rептане (1,0 нм) или В H OKTaHe (1,1 нм).
С тех пор были подробно исследованы, особенно советскими
авторами, различные приложения этой методики... Написанный
Шпольским [290] обзор аналитических применении охватывает
работы до 1959 r. Дикун [291], Мюэль и Лакруа [292] н Персо-
нов 9 использовали метод для определения следов б нз-(а)
пирена. Метод представляет интерес и с теоретическои ТОЧКI!..
зрения. Поскольку в конденсированной среде все излучательные
переходы происходят с caMoro нижнеrо колебательноrо уровня
первоrо возбужденноrо синrлетноrо или триплетноrо состояния,
то структура полос спектров испускания флуоресценции и фос
форесценции отражает колебательные частоты ОСНО8НОсО co
стояния молекулы. Поэтому анализ высокоразрешенных спек-
тров Шпольскоrо дает возможность определить эти частоты.
Этим методом был проведен колебательный анализ спектров
фенантрена (фосфоресценция) [294], дифенилполиенов и полифе.
нилов l295], азулена [296] и пирена [297]. Спектр последнеrо в
H reKcaHe интересен тем, что при 4 К в нем присутствует свыше
220 линий (при 77 К около 60 линий).
Квазилинейчатые спектры чувствительны к влиянию BHYTP -
молекулярных и межмолекулярных сил, и значительное воздеи
ствне на них оказывает водородная связь как в растворенном
веществе, так и в растворителе. Например, спектр испускания
флуоресценции l1ирена в этаноле при 77 К раз ыт, и это припи-
сывают образованию сетки водородных связеи между молеку-
лами растворителя [285]. В rексаноле rруппы ОН оказываю от-
носительно меньшее влияние по сравнению с уrлеводороднои цe
почкой, и в этом растворителе при 77 К спектр пирена разре-
шается лучше [285]. О ряде интересных примеров влияния заме-
щающих rрупп в исследуемом веществе сообщают Шиrорин и
сотр. [298]. Так, в спектрах фосфоресценции антрахинона в [ек-
сане, rептане и октане при 77 К наблюдаются последовательно-
сти резких полос, компоненты которых отделены друr от друrа
интервалом 0,166 MKM 1, т. е. частотой полносимметричных коле-
бании rруппы C O в основном состоянии. Аналоrичная тонкая
структура с той же частотой обнаруживается и в спектрах
р-хлор , р метил и р аминопроизводных. Но если некоторые за-
местители, в частности ОН, вводятся в а-положение, спектры
380
400 420 440 460
З80 400 420 440 460
Д.lfuна BO.lfHbl, НМ
Рис. 137. Спектры испускания быстрой флуоресценции 2.10 5 М растворов
пирена.
а в смеси эфир пептан этанол при 77 1(; б в этаполе при комнатной температуре.
Возбуждепне при 313 нм. Апализирующий монохроматор с кварцевой призмой имел полу'
ширину полосы 0.38 нм (0,0024 мкм 1) при 400 им.
применившие при исследовании коронена призменный стеклян-
ный фотоэлектрический <:,пектрометр. Эти авторы показали, од-
нако, что использованныи Шпольским и сотрудниками образец
коронена соде!Jжал следы 1,12 бензперилена, который преиму
щественно и возбуж.r,ался светом 366 нм; эта работа впервые
продемонстрировала аналитические возможности данной MeTO
дики. Позднее Боуэн и Броклхерст [289] установили, что резкость
спектров коренена, 1,12 бензперилена, трифенилена и 9,10 ди-
хлорантрацена сильно изменяется при замене растворителя, и
они приписали этот эффект специфическому взаимодействию мо-
лекул pacTBopeHHoro вещества с кристаллическоЙ решеткоЙ pac
творителя, степень KOToporo определяется относительными раз
мерами молекул растворителя и pacTBopeHHoro вещества. Позд-
нее в обзорной статье ШпольскиЙ [285] указал, что, судя по ре-
зультатам, пол 'ченным с раi3ЛИЧНЫМИ j3еществами, условием,
364
r ЛАВА IV
СПЕЦИАЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ И ПРИМЕНЕНИЕ
355
...Н '\.
о о
11 I
(ХХ)
g
на и при водят к образованию димеров и полимеров. В дальней
шем [299] были исследованы спектры полиоксиантрахинонов;
оказалось, что 1 ,4 производное дает резкую колебательную
структуру, в которой частота карбонильной rруппы, однако, не
проявляется.
становятся размытыми. Этот эффект был объяснен образованием
внутримолекулярной водородной связи:
I:s
..,
%-
ос
,....,
1>;
"(
<о
<:s
\,.)
:::
.....
в то же время такие а заместители, как СН з , С 6 Н 5 и СН з О, по
чти не меняли спектр [285], хотя некоторая размытость появля-
.а
5
о
:::
..,
:t:
'IJ
Е:
380
4по 420
Д.llина во.llНЫ, Н-М
Рис. 139. Спектр испускания быстрой флуоресценцин 10 4 М раствора пи
рена в h-rексане, содержащем 10% циклоrексана, при 77К.
Возбуждение при 313 нм. Анализирующий монохроматор со стеклянноЙ призмой имел
полуширину полосы 0,17 нм (0,0011 MKM I) при 400 им.
Д.llина во.llНЫ, н-и.
Рис. 138. Спектр испускания быстрой флуоресценции 10 4 М раствора
пирена в H reKcaHe, содержащем 10% циклоrексана, при 77 К.
Возбужденне светом 313 им. Анализирующий мо:юхроматор с кварцевой призмой имел
полуширину полосы 0,38 нм (0.0024 MKM 1) при 400 нм.
rрайсар и Лич [300] показали, что в тех же кристалличе
ских матрицах, которые используются для получения спектров
Шпольскоrо, можно проводить и фотолиз pacTBopeHHoro веще
ства. Они применили метод квазилинейчатых спектров для реrи
страции радикальных продуктов фотолиза по их хорошо разре
шенным спектрам. Например, они провели колебательныи ана-
лиз спектра испускания бензильноrо радикала продукта фо-
торазложсния толуола в матрице моноклинноrо циклоrексана.
лась при введении в а положение атомов rалоrенов, а в случае
rидроксильной rруппы размытость возникала даже при введе-
нии в -положение. Шиrорин и сотр. [298] объяснили это меж
молекулярными водородными связями, которые возникают даже
в разбавленных растворах между молекулами оксиантрахин()-
366
r ЛАВА IV
СПЕЦИАЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ И ПРИМЕНЕНИЕ
367
Сам толуол испускает в области короче 300 нм, а бензильныЙ
радикал в сине зеленой.
Измерения вы\:окоразрешенных спектров Шпольскоrо на фо
тоэлектрическом спектрометре связаны с серьезными TPYДHO
стями, особенно если приходится иметь дело с низкими концен-
трациями: Монохроматор должен иметь высокую разрешающую
силу, а также, поскольку
используются узкие щели,
большую светосилу. При
этом обычно нужен очень
интенсивный возбуждаю-
щий свет, а сканирова-
ние спектра должно быть
медленным. Мюэль и
Лакруа [292] для записи
спектра бенз (а) пирена
в H OKTaHe использовали
специально сконструиро-
ванный двойной призмен-
ный монохроматор, что
позволило им обнаружить
47 линий из 50, зареrист-
рированных Шпольским
фотоrрафическим мето-
дом, а также 10 добавоч-
ных линий. Большинство
продажных MOHoxpOMa
торов из числа исполь-
зуемых в спектрофлуори-
метрах не позволяют пол-
ностью разрешить тонко-
структурные спектры
Шпольскоrо, но их разрешающая сила всё же достаточна для
Toro, чтобы показать разницу между спектрами, полученными
в стеклообразных растворителях, и спектрами, измеренными
в кристаллических м:::трицах нормальных парафинов. В ка-
честве римера на рис. 138 по азан спектр пирена в кристал-
личе:ко матрице, записанныи на том же самом приборе
(ДI!ОИНОИ монехроматор с кварцевыми призмами) и при той же
ширинuе щели, ;'1'0 и кривая а на рис. 137. Прибор с одной CTeK
ляннои призмои разрешает спектр еще лучше (рис. 139), хотя
вследствие поrлошения света стеклом коротковолновый участок
спектра срезает ,Я. Разрешающая сила обоих приборов оказа
лась достаточнои для Toro, чтобы выявить влияние алкильных
заместителей на резкость спектра пирена [301]. Так, хотя наи
более резкие спектры 3-метил и 3 этилпирена получались в
H reKcaHe (как и в случае пирена) , большая часть присущей пи-
рену при 77 К тонКой структуры в них отсутствовала (ср. рис.
140 и 138).
Следует отметить, что растворитель, использованный при по-
лучении спектров, показанных на рис. 137 140, содержал 10%
циклоrексана. Был взят циклоrексан, который применяют для
приrотовления концентрированных «стандартных» растворов ве-
шеств. Де.l0 в том, что если работать с большим количеством
образцов (например, в аналитической практике), то для всех
разбавлений, за исключением последнеrо, удобно использовать
именно циклоrексан, поскольку ero высокочистые образцы ,lIerKO
доступны, в то время как очистка н парафинов сложная и
длительная процедура. Присутствие малых количеств цикло
reKcaHa на спектры практически не влияет. Однако если спектры
Шпольскоrо измеряются в чистом циклоrексане, то необходима
надлежащая «тепловая обработка» замороженной смеси, по-
скольку вид спектра зависит от Toro, какая из двух возможных
кристаллических форм циклоrексана используется кубическая
или моноклинная. Для полноrо превращения в форму, устойчи
вую при 77 К (моноклинную), замороженную смесь перед охла
ждеliием нужно подверrнуть тепловой обработке при 145 150 к-
Лич и сотр. [302] использовали флуоресценцию как метод изуче-
ния фазовых превращений циклоrексана, в том числе образова
ния третьей, мета стабильной модификации.
Ж. ИЗМЕРЕНИЯ ФОТОЛЮМИНЕСЦЕНЦИИ ПРИ ИЗУЧЕНИИ
НЕОБРАТИМЫХ ФОТОХИМИЧЕСКИХ РЕАКЦИИ
1. Анализ продуктов фотохимических реакций
Измерение фотолюминесценции это чувствительный и rиб-
кий метод химическоrо анализа. Поэтому, выбирая метод ана-
лиза для измерения квантовых выходов или идентификации про
дуктов фотохимической реакции, следует обсудить и возмож
насть применения фотолюминесценции. Часто при помощи пря-
мых измерений флуоресценции удается следить за расходом ис-
ходноrо p areHTa или накоплением продукта (например, карба
зола из дифениламина [131]). В некоторых системах перед иден-
тификацией необходимо провести разделение смеси продуктов, и
если можно вызвать их флуоресценцию или фосфоресценцию, то
фотолюминесценцию можно использовать для определения Ma
лых количеств вешеств, которые MorYT быть разделены при по-
мощи, например, тонкослойной или rазовой хроматоrрафии.
Такие измерения представляют собой, по сути дела, аналитиче
ское применение флуоресценции и фосфоресценции и paCCMa
триваются в rл. У. В данном разделе мы обсудим некоторые
специфические применения фотолюминесценции в фотохимцч
ких исследованиях,
::s
::t
::t
:z:
'IJ
::t
\,)
'IJ"
O$
::r,
"(
.а<!)
Е;<3
..,Q,
01:::
:z:'"
I:)::S
:z:'""
'IJ
!:
380 400 420 440 460
. ,д,.lIuна OO.llHbI, нм
Рис. 140. Спектр испускания быстрой
флуоресценции 10 4 М раствора 3 ЭТИk
пирена в H reKcaHe, содержащем 10% ци-
клоrексана, при 77 1(.
Воз6ужденне прн 313 нм. Анализирующий моно-
хроматор с кварцевой призмой имел полуширину
полосы 0.38 нм (0,0024 MKM I) при 400 нм.
368
r ЛАВА IV
СПЕЦИАЛЬНЫЕ вопросы и ПРИМЕНЕНИЕ
369
ждающиЙ свет высокой и одинаковой интенсивности в пределах
такой площади реакционноrо сосуда, которая достаточна для
измерения поrлощения. Если измерения проводят при разных
длинах волн, то иноrда трудно подобрать источник света, дo
статочно интенсивный для Toro,
чтобы дать нужный световоЙ
поток через монохроматор. Эти
трудности особенно велики в
случае малых квантовых эф
фективностей. Далее, при BЫ
соких концентрациях вещества
продукты фотолиза MorYT дей-
ствовать как внутренний
фильтр для возбуждающеrо
света и приводить к значитель
ным ошибкам в определении
квантовых эффективностей.
Поэтому люминесцеfjтная
методика, позволяющая опре-
делять очень низкие KOHцeHT
рации, имеет значительные
преимущества перед абсорб
ционной спектроскопией, коrда
речь идет об исследованиях
низкотемпературных систем, в
которых peareHTbI и продукты
часто обладают флуоресцен-
цией или фосфоресценцией. В
этом случае можно брать силь-
но разбавленные растворы, в L
которых поrлощается лишь
малая доля возбуждающеrо
света и поэтому эффект внут-
peHHero фильтра невелик. Дpy
rим преимуществом является
возможность фокусировать
свет из монохроматора H Ma
лую площадь поверхности
реакционноrо сосуда, в резуль-
тате чеrо не составляет труда
получать нужную интенсивность монохроматическоrо света раз-
личных длин волн. Долю peareHTa, разложившеrося в результате
облучения, можно определить непосредственно путем сравнения
интенсивностей флуоресценции (или фосфоресценции) от блу
ченноrо участка и соседнеrо необлученноrо участка на тои же
стороне реакционноrо сосуда. При низких концентрациях И
2. Тушение флуоресценции
Часто фотохимическая система содержит два вещества, одно
из которых возбуждается при поrлощении света, а затем реаrи
рует со вторым веществом.
А (возбужденный) + В"""'> Продукты.
( 42З)
Одним И3\ первых возникает вопрос о том, через какое состояние
А нижнее возбужденное синrлетное или триплетное проте
Kat:T реакция. Иноrда указанием на это может служить значение
концентрации В, при которой достиrается заметная скорость
реакции. Если оно меньше 10 4 М, то участие синrлетноrо со-
стояния маловероятно, поскольку скорость будет мала даже в
том случае, коrда реакция лимитируется диффузией. Может OKa
заться, однако, что синrлетное состояние имеет аномально BЫCO
кое время жизни или же в основном состоянии образуется сла
бый комплекс между А и В. Этот вопрос часто можно решить,
исследуя тушение молекулами В флуоресценции вещества А.
Рассмотрим в качестве при мера фотореакцию кrасителя тио-
нина с сульфатом железа (II) в 0,1 н. серной кислоте. Методом
импульсной абсорбционной спектроскопии можно измерить от-
носительный квантовый выход образования первичноrо продук
та семитионина [З03]. Было наЙдено, что максимальное значе
ние выхода получается при большом избытке сульфата желе
за (II), Если бы семитионин возникал при реакции Ре 2 + с син
rлетным тионином, то ero выход достиrал бы половины макси
маЛЫlOrо при такой концентрации Ре 2 +, при которой флуоресцен
ция потушена на 50%. Было наЙдено, что выход семитионина
составляет 50% максимальноrо при концентрации Ре 2 + около
0,002 М, в то время как для Toro, чтобы потушить на 50 % флуо-
ресценцию тионина, требуется концентрация приблизительно 2М.
Таким образом, очевидно, что синrлетное состояние тионина He
посредственно в реакции не участвует, по крайней мере при
указанных низких концентрациях сульфата железа (II).
3. Исследование фотохимических реакций
в жестких средах
ФотохимItЧеские реакции в твердых стеКлах при низких TeM
пературах обычно исследуют при помощи абсорбционноЙ спек-
троскопии. При этом для измерения спектра поrлощения про-
дукта нужно накопить ero достаточной концентрации, что тре-
бует сравнительно высокои концентрации peareHTa и высоких
интенсивностей фильтрованноrо возбуждающеrо света. Чтобы
определить квантовую эффективность фоторазложения и кван-
ТОВЫЙ выход продукта, необходим монохроматическиЙ возбу
I
2,2
I
1,6
I
2,0
,МК,М -1
-т----- I
1,8
Рис. 141. Спектры испускания флу
оресценции, записанные во время
фотолиза тионина светом 248 11М при
77 I( в смеси эфир пентан этанол
[305].
1 ..... после облучения в течение 5 мин;
2..... ПQСJlе облучения в течение 40 МИН. CKO
рость поrлощения {'вета 2.10 5 эЙнштейн!
((л' мин). Длинноволновые максимумы обу'
словлены тионином, а широкие KOpOTKO
волновые..... продуктами фотолиза.
370
r ЛАВА 'V
СПЕЦИАЛЬНЫЕ вопросЫ и ЛРИМЕНЕНИЕ
371
reHTa, то замедленную флуоресценцию продукта можно сенсиби
лизовать спетом поrлощаемым peareHToM. В этом случае наблю
дения за медлен'ной флуоресценции дают чрезвычайно тонкий
способ обнаружения факта протекания фотохимической peaK
ции. Паркер и Хатчард [307] наблюдали этим методом реакцию
в растворах бенз (а) -пирена,
сенсибилизованных к видимо-
му свету хлорrидратом проф-
лавина и содержащих поли
винилпиридин N бутилбромид.
Кратковременное облучение
таких растворов при комнат-
ной температуре приводило к
значительным искажениям
спектра замедленной флуорес-
ценции (измеряемоrо при низ-
кой температуре), хотя коли-
чество разложившеrося бенз
(а) пирена было недостаточно
для Toro, чтобы повлиять на
спектр быстрой флуоресценции
(рис. 142, кривые 1 и 2). Таже
фотореакция протекала и вот-
сутствие хлорrидрата профла
вина, коrда раствор облучали
светом, поrлощаемым бенз
(а) пиреном. Измерения интен-
сивности и времени жизни за
медленной флуоресценции pac
творов бенз (а) пирена в при
сутствии И В отсутствие поли-
мера показали, что он тушит
триплет бенз (а) пирена. Был
сделан вывод о том, что фото
реакция протек:ает через три-
плетное состояние уrлеводоро-
да. По мере накопления фото
продукта усиливалось тушение замедленной флуоресценции бенз-
(а) -пирена (и, следовательно, ero триплетов) фотопродуктом, Il
скорость реакции уменьшалась. Вероятно, иuмеется MHorO таких
фотореакций, о существовании которых сеичас и не подозре-
вают, так как уже на ранних стадиях они «вЫключаются» вслед-
ствие тушения продуктом триплетноrо состОяния peareHTa. Из-
мерения сенсибилизованной замедленной флуоресценции про-
дукта помоrают обнаружить эти реакции на самых ранних ста-
диях, пока еще не произошло их полное «выключение».
освещении под прямым уrлом спектрометр можно использовать
и для определения спектров испускания и возбуждения продук-
тов фотохимической реакции. Впервые эта методика была при
менена Паркером и Рисом [304, 305] для определения квантовой
эффективности фоторазложения тионина в эфир пентан спирто-
вом стекле при 77 К. Они смоrли измерить чрезвычайно низкие
эффективности (,......10 6) и нашли, что эффективности варьируют
от < 10 6 при 578 нм до 3 . 10 3 при 248 нм. Кроме Toro, они за-
писали спектры испускания и возбуждения флуоресценции не-
к()торых продуктов (рис. 141). Хотя на преимущества этоrо Me
тода Паркер и Рис [304] указали еще в 1959 r., он применялся с
тех пор сравнительно редко, по крайней мере для определения
квантовых выходов. Лич [306] применил фотоrрафическую MeTO
дику для записи и анализа спектров замороженных радикаль-
ных продуктов бензила и трифенилметила.
4. Сенсибилизованная замедленная флуоресценция
реаеентов и продуктов фотохимической реакции
При сенсибилизации замедленной флуоресценции типа Р MO
жет происходить перенос сравнительно больших порций энер
rии возбуждения на малые концентрации акцептора, в резуль-
тате чеrо иноrда происходит быстрое разложение. Так, при об-
лучении растворов антрацена, содержащих 10 8 М нафтацена,
испуск.,ается сенсибилизованная замедленная флуоресценция ти
па Р нафтацена, но при продОлжительном облучении в резуль
тате уменьшения содержания нафтацена интенсивность этой
флуоресценции быстро снижается. Было предположено [123], что
нафтацен расходуется потому, что при перекрестном взаимодей
ствии триплетов получаются смешанные УСТОЙЧИВblе фотоди-
меры, а не только синrлет возбужденный акцептор [123]:
'А* + 'D
3А + 3D)" (424)
\.AD
в аналоrичном проц ссе может расходоваться и антрацен,
если он взят при низкой концентрации [123]:
'D* + 'D
3D + 3D)" (425)
\.D 2
Чтобы окончательно подтвердить эти механизмы, требуются
тщательные сопоставления квантовых выходов со скоростями
поrлощения света.
Если продукт фотохимической реакции флуоресцирует, а ero
триплетный уровень расположен нище триплетноrо уровня peq-
,
u
<t>
::,
'"'
':! а::
o
",:1:
:z: :z:
q,""
""
@-
<')'-'
::s
"'
1::......
U::S
::s
<:o::t
5
&i
!::
.
n
11
11
11
'1
11
:: 1
11
I
1
1
I
1
I
\
400 440
Д.lfина во.lfНЫ,НМ
Рис. 142. Замедленная флуоресцен
ция не содержащих кислорода эта
нольных растворов 10 6 М бенз (а)-
. 6
пирена, 8 . IO М солянокислоrо
профлавина и .I0 4 М (в пересчете
на мономер) полнвинилпиридин N бу
тилбромида [307].
Возбуждение светом 4:06 нм. Температура
750 С. 1 до облучения; 2 после облу.
чения в течение 80 с при 200 С. Доза по'
rлощенноrо света 10 ' эйнштейн/л. Спектры
быстрой флуоресценции. возбуждаемой при
366 им. дЛЯ обоих растворов были одина.
КоВЫ и совпадали с кривой 1.
372
СПЕЦИАЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ И ПРИМЕНЕНИЕ
373
r ЛАВА IV
3. ПРИМЕНЕНИЕ ПОЛЯРИЗАЦИОННЫХ ИЗМЕРЕНИИ
этот интервал температур удобен (например, в случае этаноль
ных растворов) для определения V. ДЛЯ полимеров этот диап -
зон желательно увеличить за счет температур выше комнатнои.
Таблица 43
Поляризация при раЗНbIХ вязкостях и температурах а
1. Определение вреМени вращательной релаксации
Для сферической молекулы зависимость поляризации от вре-
мени вращательной релаксациа выражается уравнениями (55)
или (56) (раздел 1, [, 6). Использовав формулу (57), получаем
( .! + .! ) == ( + .! ) ( 1 + RTT ) .
Р 3 Р" 3 V YJ
(426)
Поляризация (р)
Темпера- у\/1 малые молекулы, большие молекулы,
Растворитель тура, V 500 V 5.10'
ос
t 10 8 I t 10 2 t 10 81 t 1O 2
5 0,006 <0,001 0,215 <0.001
Вода 20 з,4.10 з
Этанол 98 2,5.10 2 0,191 <0,001 0,331 <0,СО1
r лицерllll 20 5,1.10 0,322 <0,001 0,333 0,001
» О 0,44 0,332 <0,001 0,333 0,008
» 42 2,9.102 0,333 0,045 0,333 0,313
Таким образом, если поляризация и вязкость раствора измерены
в интервале температур, в котором изменения Т малы (как это
имеет место для мноrих веществ с высокой эффективностью
флуоресценции при комнатной температуре, см. раздел 11, Б, 5),
то rрафик зависимости l/р от Т/У) будет представлять собой пря
мую линию С наклоном (l/po + l/з)R-т/V и отсечением l/ро. Сле
дова ельно, из этих данных можно определить как Ро (при этом
не ОЬязательно про водить измерения при очень нИзких темпе-
ратурах), так и молярный объем V. Если Т сильно зависит от
температуры (например, в случае Т I --+ sо,фосфоресценции в
жидких средах), то для получения прямой линии по оси абсцисс
нужно откладывать величину ТТ/У). Большинство молекул не
являю;rся cTporo сферическими, но обычно и для них rрафик за-
висимости l/p от T/ представляе.т собой достаточно хорошую
Прямую, из каторои можно наити эффективный молярный
объем V [308].
Диапазон температур и вяз костей, в котором происходят за
метные изменения поляризации, определяется отношением
R-TT/VY). При больших временах жизни, при высоких температу
рах и в растворителях с низкой вязкостью испускание будет по
чти полностью деполяризовано, а р будет СЛишком мало для то-
ro, чтобы ero можно было измерить. При малых Т и Т в сильно
вязких раствоrителях р будет праКтически постоянным и paB
ным ро. Поэтому полечно выяснить, какими MorYT быть значения
р при разных условиях и какие значения четырех параметров
(Т, Т, V, У)) дают поляризации, заметно ОтличающиеС$J От ро и ОТ
ну я. В таБJI:-43 приве ены некоторь:е даннЫе для Типичной «ма-
лои» флуоресцирующеи молекулы, имеющей МОлярный объем
порядка 500 см 3 (флуоресцеин), и для большой полимерной MO
лекулы с V == 5.104 см 3 (белок). Времена жизни соответствуют
флуоресценции ( 1 0 8 с) И фосф ресценции ( 1 0 2 с).
В ДИ 8пазоне от +20 до 1 00 С поляризация флуоресценции
(Т == 10 с) малых молекул в растворителях низкой вязкости
изменяется от низких значений до высоких, и, следовательно,
а Прииято, ЧТО f:\ о и используется иеполяризоваНIIblЙ возбуждающий свет, т. е.
'/р 3 + (3,333 RTt/VY\).
Метод применялся rлавным образом для определения разме
ров больших молекул, например белков. Обычная процедура co
стоит в обработке белка флуоресцирующИМ peareHToM, необра
тимая реакция с которым дает флуоресцирующую полимерную
молекулу. Нужные peareHTbI чаще Bcero получают, вводя изо-
цианатные, изотиоцианатные или сульфохлоридные rруппы !
обычные флуоресцирующие соединения. Хорошо взаимодеи-
ствуют с белком, например, изоцианаты флуоресцеина, poдa
мина Б и антрацена. Флуоресцирующие изоцианаты необратимо
реаrируют со свободными амино- или сульфrидрильными rруп
пами белка. Очевидно, что и peareHTbI и условия реакции следует
подбирать так, чтобы размер и физическое строение молекулы
белка изменялись в минимальной степени. Обычно времена жиз
ни полученных этим способом флуоресцирующих конъюrатов
белкон близки к временам жизни простых флуоресцирующих MO
лекул. Подробные данные о методике и ее применении можно
найти в обзоре [308].
Что касается вращательной деполяризации фосфоресценции,
то она использовалась сравнительно мало. Ввиду большоrо вре-
мени жизни фосфоресценции ее деполяризация проявляется при
rораздо больших вязкостuях, чем еполяризация флуоресценции
(ср., например, чет вер ты и и пятuыи столбцы табл. 43). Если из
вестНЫ время жизни и молярныи объем фосфоресцирующих MO
лекул, то в принципе по деполяризации фосфоресценции можно
374
r ЛАВА !V
СПЕЦИАЛЬНЫЕ вопросы II ПРИМЕIIЕНИЕ
375
но резко изменяется в области перекрывания двух полос поrло-
щения, соответствующих переходам с разными значениями .
При мер ом простorо поляризационноrо спектра может служить
спектр крезола, полученный Вебером [215]. Он обнаружил, что в
полосе поrлощения при 275 нм поляризация достиrает макси
мальноrо значения около 0,22, а в области полосы 235 нм па-
дает до 0,065. Использовав уравнение Яблонскоrо [уравнение
(54), возбуждение естественным светом], Вебер получил для пе
реходов при 275 и 235 нм значения cos2 , равные 0,185 и 0,78
(их сумма приблизительно равна единице), и пришел к выводу,
что переходные моменты Ha
правлены под прямым уrлом
друr к друrу.
Мноrие поляризационные
спектры rораздо сложнее, чем
спектр крезола, и в них часто
проявляется несколько пере
ходов, полосы поrлощения KO 0,1
торых перекрываются. В каче- ро
стве примера на рис. 1431lo
казан спектр 9 аминоакридина,
полученный Цанкером и Ви!
твером [313], а также (при по-
мо и автоматическоrо поля
ризационноrо спектрофлуори
метра) Эйнсуортом и Винте
ром [211].
Адзуми и Мак rлинн [64]
измерили поляризационные
спектры флуоресценции фе
нантрена, а также зависимость
степени поляризации от дли
ны волны испускания флуорес-
ценции и фосфоресценции фенантрена. Разные колебательные
компоненты одной и той же электронной полосы имели различ
ные поляризации, и авторы показали, какую помощь MorYT OKa
зать поляризационные измерения при анализе колебательноЙ
структуры полос.
измерить вязкость в области ее высоких значений, [де при мене-
ние друrих методов затруднено. Если фосфоресцирующее веще-
ство растворить в полимере и использовать в качестве метки, то
по деполяризации можно определить микроскопическую вяз
кость. В исследованиях этоrо типа полезно измерять и поляриза-
цию флуоресцен ии, поскольку некоторые полимеры с высокой
макроскопическои вязкостью обладают сравнительно низкой ми-
кроскопической, локальной вязкостью, если только области по-
лимерных цепей не перекрываются [309].
Деполяризация флуоресценции малоЙ молекулы, обладающеЙ
в жидком растворе коротким временем вращательной релакса-
ции, сильно снижается, если эту молекулу связать с большой
молекулой Полимера. Поэтому измерения поляризации можно
использовать для определения доли связанных молекул и, сле
довательно, константы равновесия этоrо обратимоrо процесса.
Таким способом Велик [31 О] измерил константы равновесия ком-
плексов коферментов, а Лоуренс [311] изучил равновесие между
красителями и белками и их комплексами.
2. Определение вреМени жизни флоуресценции
и механизма тушения флуоресценции
Тушение флуоресценции при столкновениях приводит к
уменьшению выхода флуоресценции, которое следует закону
ШтеРН8 Фольмера [уравнение (73)]. Однако точно такая же
зависимость получае ся и в тех о случаях, коrда тушитель обра-
зует с флуоресцентнои молекулои нефлуоресцирующиЙ комплекс,
но сам по себе не тушит возбужденное состояние не связанной
в комплекс мо.Т]екулы (см. раздел II, Б, 2). Измеряя время жиз
ни испускания, можно сделать выбор между двумя упомянутыми
механизмами тушения. В случае тушения при столкновениях
время жизни снижается пропорционально интенсивности флуо-
ресценции, а в случае образования комплексов оно не изменяет-
ся. Измерения поляризации флуоресценции яВЛяются простым
косвенным методом опреuделеНlfЯ времени жизни и поэтому по
зволяют выяснить, Кй.кои из двух механизмов тушения имеет
место [312].
3. Onpeдe eHиe ориентации
Как мы видели в разделе 1, [, 5, в отсутствие деполяризации
предельная поляризация РО зависит [в соответствии с ypaBHe
ниями (53) и (54)] от уrла между направлениями переходных
мсментов для поrлощения и испускания. Поэтому Можно ожи
дaТl" что поляризация спектра возбуждения флуоресценции бу-
дет постоянноЙ в пределах любоЙ отдельноЙ полосы поrлощения,
0,4
0,3
0,2
о
о
0,1
O,2
0'3210 240 270 300 330 360 390 4ZD
Д.Аина BO.AHbl.H.III
Рис. 143. Поляризация спектра
возбуждения флуоресценции ка'
тиона 9-аминоакри ,ина в пропи-
ленrликоле при 700 С [211].
Ширина полосы возбуждения 3 нм. ши-
рина полосы испускания 33 нм.
4. Перенос энерzии
Первые указания на перенос энерrии синrлетноrо возбужде
ния между молекулами в растворе были получены именно при
исследовании поляризации флуоресценции (см. разделы 1, [, 7 и
rr, Б, 6). При диполь дипольном переносе энерrии измерения за-
висимости поляризации от концентрации флуоресцирующеr9
376
rЛАВА IV
вещества можно использовать для определения критическоrо
расстояния переноса [66].
Но возможны применения и более тонких поляризационных
эффектов. Так, Вебер [314] обнаружил, что белки, содержащие
фенилаланиновые и тирозиновые остатки, но не содер'Кащие
триптофановых остатков (т. е. белки, имеющие спектр испуска
ния фл оресценции, характерный для тирозина), дают поляриза
ционныи спектр, подобный спектру тирозина или крезола однако
начения предельной поляризации будут ниже, чем у POCTЫX
,лолекул. Вебер пришел к выводу, что в пределах одной и той
же белковой молекулы происходит перенос энерrии между тиро-
зиновыми остатками.
rлава v
I1РИМЕНЕНИЕ В АНАЛИТИЧЕСКОй ХИМИИ
А. ОБЩИЕ ЗАМЕЧАНИЯ
1. Введение
Еще в прошлом неке флуоресценцию использовали в каче-
стве метода rрубой идентификации веществ. Так, при описании
новых орrанических соединений наряду с такими свойствами,
как цвет, форма кристаллов и др., часто упоминали способность
к испусканию видимой флуоресценции. В течение мноrих лет
широко пользовались качественной реrистрацией видимой флуо-
ресценции как невооруженным rлазом, так и с помощью
фотоrрафии или микроскопа; этот метод в руках опытноrо спе-
циалиста и до сих пор еще служит мощным инструментом в
криминалистике, медицине и биолоrии, а также при определе-
нии примесей и браковке материалов, при детектировании хро-
матоrрафических зон и т. д. [315]. Приблизительно до 1945 r. ко-
личественная флуориметрия оставалась, по мнению некоторых
исследователей, ненадежным методом, хотя она и применялась
довольно широко во мноrих областях. Это объясняется HeДO
статочным вниманием к основным принципам флуориметрии и
отчасти отсутствием соответствующеrо оборудования.
Еще в 1935 r. Цшайле [316] применил для измерения спект-
ров флуоресценции хлорофиллов а и Ь фотоэлектрический спек
трофотометр, а в 1943 r. описал усовершенствованный прибор
с вакуумным рубидиевым фотоэлементом [317]. С появлением
чувствительных фотоумножителей фотоэлектрическая реrистра-
ция спектров флуоресценции оттеснила на второй план менее
чувствительную фотоrрафическую запись, которая к тому же Me
нее удобна и не столь точна. Начиная с этоrо периода и вплоть
до 1955 r. в литературе был описан ряд таких устройств [318
326]. СО времени публикации статьи Боумана, Колфилда и Юден-
френда [127], описывающей прибор с двумя монохроматорами,
методика флуориметрии была усовершенствована настолько,
что, имея даже небольшое количество вещества, исследователь
леrко может получить автоматическую запись полноrо спектра
флуоресценции и возбуждения. При правильном применении та-
кие измерения фотолюминесценции являются мощным методом
химическоrо анализа, как качественноrо, так и количественноrо,
378
rЛАВА v
ПРИМЕНЕНИЕ В АНАЛИТИЧЕСКОй ХИМИИ
379
причем часто характеризующеrося очень высокой чувствитель-
ностью. Однако, подобно всем инструментальным методам, изме-
рение фотолюминесценции будет успешным лишь в том случае,
если образец приrотовлен правильно и с учетом основных прин-
ципов методики. Одна из rлавных задач этой rлавы состоит в
том, чтобы показать, как правильно выбирать условия метода
анализа для какой-либо конкретной цели, чтобы в будущем из-
бежать возможных ошибок. Мы будем часто ссылаться на фун-
аментальные принципы фотолюминесценции, рассмотренные в
..редыдущих rлавах, поэтому рекомендуем познакомиться пре-
жде Bcero с ними, особенно с содержанием rл. 1 и III.
щее вещество обнаруживает заметную люминесценциЮ. В этом
состоит недостаток метода, правда, в некоторых случаях это мо-
жет оказаться полезным, так как люминесцирующее вещество
можно обнаружить без предварительноrо отделения от друrих
веществ, не люминесцирующих вовсе ли люминесцирующИХ в
иных спектральных областях. С друrои стороны, нелюминесци-
рующее веществО при необходимости без особоrо труда можно
превратить в люминесцирующее. Однако надо иметь в виду, что
лишь в редких случаях наличие спектра люминесценции оказы
вается достаточным для идентификации неизвестноrо ранее op
rаническоrо соединения, тоrда как в сочетании с друrими мето-
дами, такими, как инфракрасная спектроскопия, масс,<;,пектро
метрия и ядерный маrнитный резонанс, люминесцентныи метод
дает четкую картину, конечно при условии, что имеется ДOCTa
точное количество чистоrо образца.
Сказанноrо в этом разделе достаточно, чтобы предостеречь
от случайноrо, необдуманноrо применения люминесцентных ме-
тодов без учета возможностей друrих методоВ. Правильно BЫ
брать подходящие аналитические методы для работы лучше Bce
ro помоrает опыт, однако описание применения фотолюминесцен-
ции, данное ниже, также будет способствовать этому.
2. Сравнение фотолюминесценции с apYZUMU
аналитическими методами
Для Toro чтобы должным образом оценить аналитические
фотолюминесцентные методы, следует коротко остановиться на
их преимуществах и недостатках по сравнению с друrими ана-
литическими методами. rлавным преимуществом фотолюминес-
цеНТНоrо метода, возможно, является ero высокая чувствитель-
ность, близкая в некоторых случаях к чувствительности радио-
химических методов, что дает ВОЗможность применять ero для
решения мноrих проблем анализа малых количеств: наприме
определение следов заrрязнений или примесей, нахождение rла
ных компонентов при анализе чрезвычайно малых КОличеств ве-
щества Однако в области неорrанической химии с фотолюминес-
ценциеи может конкурировать ряд друrих мощных методов Так
при помощи масс-спектрометрии или Эмиссионной спектр'омет
рии можно ОДНОl1ременно Определять несколько десятков элемен
тов при их низких концентрациях, и, по-видимому, в этом сл чае
не елесо бразно применять фОТОJIюминесцентный метод п: са-
мои свое и природе требующий отдельных процедур для аждоrо
элемента или rруппы из нескольких элемент ов С дру u
. rои сто-
роны, для ряда элементов в некоторых КОнкретных случаях фо
толюминесцентные методы наиболее чувствительны и удоб
Каждую проблему необходимо четко сопоставлять с возмож
стями, имеющимися в руках химика аналитика
В области анализа орrанических соецине ий фотолюминес-
ценция имеет -меньше конкурентов, особенно если речь идет об
определении малых количеств /110МИМО вы Iокои" "
. чувствительно-
сти, Me oд имеет и то преимущество перед абсорбционной спектро-
метриеи, что он дает не один, а два, а иноrда и четы е спект а
в ка чествЕ' основы для идентификации (спектры ис ска ния р
возбуждения как флуоресценции, так и фосфоресценции) Из
пестно, что для ВОЗНикновения флуоресценции или фосфоре цен-
ции вещество должно поrлотить свет, но не каждое поrлощаю-
3. Классификация фотолюминесцеНТНblХ методов
В первом столбце табл. 44 приведены те типы фотолюминес
ценции, которые наиболее широко применяются в химическом
анализе или по своим характеристикам вполне приемлемы для
этоrо. Из них наиболее важны быстрая флуоресценция и фосфо-
ресценция, причем они MorYT применяться двумя способами. Во-
первыХ, в определенных условиях можно измерить собственную
флуоресценцию (фосфоресценцию) вещества, подлежащеrо оп-
ределению, если необходимо, после предварительноrо отделения
ero от веществ, мешающих определению. Мы назовем такие ме.
тоды «естественными». Во-вторых, если определяеМое вещество
не люминесцирует или если ero люминесценция лежит в спек-
тральной области, недоступноiI по техническим причинам или ма-
скируемой свечеJ.!ием друrих компонентов образца, ero можно
превратить химическим путем в люминесцирующее вещество.
Эти методы классифицируются как «химические».
Рассмотрение основных процессов, связанных с возникнове
нием фотолюминесценции (rл. 1), показывает, что фотолюминес
ценция должна наблюдаться для таких rрупп соединений, моле-
кулы которых содержат системы :n:-электронов. В алифатическом
ряду выбор оrраничивается высокосопряжеННЫl\lИ соединениями,
такими, как витамин А, или некоторыми дикарбонильными со-
единениямИ, как, например, диацетил. Несомненно, наибольшее
Название
Быстрая флуорес
ценция
Фосфоресценция
Замедленная флу
оресценция
Способ
применеиия
Определяемые вещества
Естественный по n Орrанические
х и \lИческий
Тушение
Не\<оторые неорrаниче
ские
Мноrие типы орrаниче-
ских и неорrанических
r лавным образом ки
слород
Различные орrанические
Естественный по n Орrанические
по п Орrанические
Некоторые неорrаниче
ские
Хим ический
Тушение
Сенсибилиза-
ция трипле
тами
Тушение
Внутримолекуляр- Химический
ный перенос
энерrии (флу
оресценция или
фосфоресцен
ция)
Мноrие типы
Методы люминес
Наиболее подходя
щее состояние
вещества
Жидкое
Стеклообразное
Твердое
Адсорбированное
Жидкое
Стеклообразное
Адсорбированное
Жидкое
Адсорбированное
Стеклообразное
TBCP'LO e
Адсорбированное
СтеКЛCJобразное
Адсорбированное
r лавным образом ки- Жидкое
слород
Различные орrанические Адсорбированное
по n Орrанические
Соединения редкозе-
мельных элементов
r лавным образом ки-
слород
Соединения редкозе-
мельных элементов
Жидкое
Жидкое
Адсорбированное
Жидкое
Стеклообразное
цеНТН(Jrо анализа
Таблица 44
Чувствительность
Точность
Специфичность
Высокая
Часто оrраничена фоном
Умеренная
Часто оrраничена фоном
Обычно оrраничена фоном
» » »
» » »
Низкая
Умеренная
Высокая
Умеренная
Часто оrранич на фоном
Умеренная
Высокая
Иноrда очень высокая
Умеренная
Умеренная или высокая
» » »
» » »
Низкая
»
Высокая
Иноrда очень высокая
Умеренная
Очень высокая
Умеренная
Низкая
»
Очень высокая
У \Iеренная
Низкая
Умеренная
Низкая
Умеренная
Низкая
»
Имеется лишь несколько ПрИ\lеров применения для количественноrо анализа
Очень высокая Низкая Умеренная
» » » Низкая
Высокая Высокая »
Очень высокая
» »
Умеренная
»
00...:
Низкая
»
Очень высокая
» »
Умеренная
Низкая
Очень высокая
Умеренная
382
r ЛАВА V
ПРИМЕНЕНИЕ В АНАЛИТИЧЕСКОй ХИМИИ
383
число люминесцирующих соединений относится к ароматиче-
скому и rетероциклическому рядам. Обычно быстрая флуорес
ценция становится заметной при выполнении еще одноrо усло
вия: самое низкое возбужденное синrлетное состояние должно
быть :n:* :n: типа, как показано в третьем столбце табл. 44 (см.
раздел 1, Б, 6). Фосфоресценцию можно наблюдать, коrда наи
низшей энерrией обладают "1ибо л* :n: , либо л* п возбу
жденные синrлетные состояния. Лишь некоторые неорrанические
ионы люминесцируют в растворе, поэтому для них часто ис-
пользуют химический метод, состоящий в связывании иона op
rаническим peareHToM с целью получения флуоресцирующеrо
соединения. Химическим путем можно превращать во флуорес-
цирующие продукты инефлуоресцирующие орrанические соеди-
нения. В обоих случаях этими продуктами почти всеrда являются
ароматические или rетероциклические соединения, однако иноrда
истинная природа последних неизвестна. Хотя к настоящему
времени разработаны лишь немноrие методы химической фосфо
ресценции, можно надеяться, что в будущем исследование ее
окажется более плодотворным.
Существующие весьма надежные методы основаны на изме-
рении быстрой флуоресценции веществ во всех четырех состоя
ниях (см. четвертый столбец табл. 44). Фосфоресценция в жид-
ких средах почти всеrда очень незначительна, и для аналитиче
ских целей лучше Bcero иметь вещество в стеклообразном или
криста.ллическом растворе (при низкой, а иноrда даже при ком-
натной температуре) или в адсорбированном состоянии.
В трех последних rрафах табл. 44 приведены общие указа
ния относительно чувствительности, специфичности И точности,
которых можно ожидать от разных типов метода при различ
ных условиях. Конечно, использовать эти данные надо осторожно,
так как в конкретных случаях MHoroe зависит как от xapaK
тера определяемоrо вещества, так и от друrих факторов, связан-
ных с методом определения. Например, однородность жидких
растворов способствует высокой точности, тоrда как замерзание
последних при низкой температуре может при водить к ошибкам,
обусловленным измепение?ll показателя преломления и даже
пропускания кюветы, если образец поrружен в жидкий азот.
Аналоrично фронтальное освещение твердых растворов вносит
ошибку, обус ловленную rеометрическим выравниванием. В свою
очередь величина фона, по-в димому, лимитирует чувствитель
ность одних методов в большеи степени, чем друrих. Мы не оста-
навливэемся здесь на трех последних rрафах табл. 44, но чита-
телю, возможно, будет полезно вернуться к ним при более
детальном обсуждении рассматриваемых методов.
Методы тушения, как правило, находят оrраниченное при
менение, так как они в значительной степени неспецифичны. Од-
нако в некоторых случаях, например при определении кисло-
роца, они все же используются, поэтому включены в табл. 44.
Последние два метода, упомянутые в табл. 44 сенсибилизо-
ваннная замедленная флуоресценция и внутримолекулярный пе-
ренос энрrии, который по сути дела является частным случаем
химическоrо методат-будут рассмотрены в соответствующих раз
делах.
В табл. 44 не включены друrие типы фотолюминесценции
сенсиБИЛИ30ванная фосфоресценция, рекомбинационная фосфо
ресценция и замедленная рекомбинационная флуоресценция.
Это обусловлено, во первых, тем, что ни один из этих типов не
нашел аналитическоrо применения. BO BTOpЫX, системы, в кото-
рых проявляются названные типы фотолюминесценции, rораздо
леrче можно проанализировать с помощью друrих методов.
Б. ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТЬ
1. Значение термина «чувствительность»
Термин «чувствительность» может иметь в люминесцентном
анализе три различных смысла:
1) Он может относиться к качествам определенноrо прибора,
используемоrо для определенной цели. Такую характеристику
мы назовем «чувствительностью прибора». Определить ее мож.
но, например, выразив минимально обнаружимое отношение
сиrнала к шуму через соответствующую концентрацию опреде"
ленноrо стандартноrо вещества, люминесцеНЦИЯ KOToporo изме-
ряется при cTporo стандартизованных условиях.
2) Далее, термин «чувствительность» может относаться к
данному веществу в определенном растворителе независимо от
Toro, на каком при боре измеряется ero люминесцеНЦИЯ. Эту ха-
рактеристику можно определить по разному, но в основе любоrо
определения будут лежать пара метры люминесценции данноrо
вещества; поэтому мы назовем ее «абсолютной чувствитель
ностью».
3) Наконец, можно ввести понятие суммарной чувствитель-
ности данной методики анализа. Она может зависеть от чувстви-
тельности люминесцирующеrо вещества, но часто и от суммар-
Horo «фона» люминесценции. Эту характеристику мы назовем
«общей чувствительностью аналитическоrо метода».
Казалось бы, излишне подчеркивать различие между «чув
ствительностьЮ прибора» и «чувствительностью метода», однако
нечеткое понимание этоrо различия приводит к тому, что часто
публикуются весьма нелепые заключения о чувствительности
Toro или иноrо метода анализа. Рассмотрим простой при мер
сравнение чувствительности двух приборов: спектрофлуориметра
384
rЛАВА v
t1РИМЕНЕНИЕ В АНАЛНТИЧЕСI<ОЙ ХИМИИ
385
Малый кварцевый MOHO
хроматор (ширина по
лосы 30 нм)
Стеклянный фильтр
0,0002
0,0006
Тип источника света.
Светосила монохроматора возбуждения.
Светосила анализирующеrо монохроматора.
Установка монохроматоров по длине волны и ширине по-
досы.
Общая чувствительность канала фотоумножитель усили-
тель самописец.
Постоянная времени.
Эффективность оптики, которой снабжаются входная и вы-
ходная щели.
Допустим, что оптика входной и выходной щелей подобрана
наилучшим образом (см. rл. III). В режиме высокой чувстви-
тельности скорость движения пера самописца будет зависеть
от постоянноЙ времени УОlлительно реrистрирующей системы в
целом (см. раздел. III, Н, 6), поэтому минимальный сиrнал лю
минесценции будет определяться скоростью записи. Обычно по
стоянная времени самописцев с записью на бумажной ленте co
ставляет примерно 1 с. Следовательно, спектры люминесценции
жидких растворов можно записать за несколько минут, причем
без потерь в разрешении. Чтобы записать с хорошим разреше
нием спектры Шпольскоrо (см. раздел IV, Е, 5), скорость pe
rистрации следует уменьшить. С друrой стороны, при измерении
малых времен жизни MorYT потребоваться постоянные времени
порядка 0,1 мс и ниже (раздел III, Н, 6), и чувствительность
прибора при этом сильно уменьшается.
В данной книrе под чувствительностью прибора мы будем
поннмать такую концентрацию стандартноrо вещества, которая
нужна, чтобы дать отклонение пера самописца, равное откло-
нению, обусловленному суммарными флуктуациями TeMHoBoro
тока, при постоянной времени реrистрирующей системы, равной
1 с. Такое определение чувствительности прибора должно быть
дополнено данными об условиях проведения опыта. Чтобы упрос-
тить задачу сравнения приборов, целесообразно отдельно рас-
смотреть оба их компонента блок возбуждения и блок реrист-
рации. Эффективность блока возбуждения можно характеризо-
вать световЫМ потоком, падающим на образец (измеряется фер-
риоксалатным актинометром, см. раздел 111, Е, 2), и чистотой
спектра. Эти характеристики зависят от типа источника света
и от ширины полосы монохроматора возбуждения. Очевидно,
что при выделении одной из основных линий ртутной лампы дo
стиrается rораздо большая интенсивность света и лучшая чи
стота спектра, чем при выделении участка из СПлошноrо спектра,
например, ксеноновоЙ лампы. Это означает, что спектры ис-
пускания можно измерять при rораздо большей чувствитель
ности прибора, чем при записи спектров возбуждения. Очевидно
также, что очень важно правильно выбрать длину волны
и флуориметра с фильтрами [131] (табл. 45). Система с филь-
трами имеет rораздо большую светосилу, чем небольшой MOHO
хроматор. Поэтому для флуориметра с фильтрами 'lувствитель
Таблица 45
Сравнение "чувствительности приборов"
Метод выделения
флуоресценции
Чувствитель
ность rrрибора
(эквивалент-
ная KOHЦCH
трация бисуль-
фата хинина,
мкr/мл)
Фон флуо-
ресценции
(эквиваJIент
ная КОllцен.
трация бисуль..
фата хинина,
мкr/мл)
2. 10 б
0,0023
При м е ч а и и е. Поток воэбуждающеrо света
3'10 9 эйиштейн/с при 366 нм. Приемиик в обоих случаях
g-каскадный фотоумножитель. Чувствительность прибора
соответствует той конuентрации бисульфата хинина, которая
нужна для Toro, чтобы сиrиал был равен ШУМУ, отвечаю
щему флуктуациям TeMHoBoro тока.
насть прибора (выраженная через эквивалентную концентрацию
бисул.ьфата хинина) в сто раз Выше, чем для спектрофлуори
метра. Однако для прибора с фильтрами «суммарный фон флуо-
ресценции» в тысячу раз ВЫШе, чем чувствительность прибора,
поэтому 'lувствительность Лl,етода определеl:iИЯ бисульфата хи
нина лимитируется именно величиной и постоянством этоrо фо-
на. Очевидно, что в данном случае невозможно использовать
преимущества очень высокой чувствительности прибора, и ут-
верждение, что «чувствительность прибора с фильтрами эквива-
лентна концентрации бисульфата хинина 2. 1 0 6 мкrjмл», может
лишь ввести в заблуждение. Из табл. 45 следует, что в данных
условиях нужно предпочесть прибор меньшеЙ чувствительности,
поскольку у Hero ниже суммарный фон, хотя этот последний все
же выше предела чувствительности спектрофлуориметра. Разу
меется, фон прибора с фильтрами можно снизить, например
тщательным подбором фильтра и (или) дополнительной очист
кой веществ. Проблема фона люминесценции Очень важна, и
ниже мы неоднократно будем к неЙ возвращаться.
2. Чувствительность прибора
Чувствительность прибора зависит от следующих факторов,
уже рассмотренных при обсуждении характеристики спектро-
флуориметра (rл. I11);
13 Зак, 1281
ЭМ
t ЛАВА V
ПРИМЕНЕНИЕ В АНАЛИТИЧЕСк.ой ХИМИИ
387
возбуждающеrо света. Например, при 250 нм коэффициент поrа-
шения раствора антрацена примерно в 80 раз больше, чем при
366 нм, и при возбуждении ртутной лампой BbIcoKoro давления
это увеличение «абсолютной чувствительности» дает выиrрыш,
несмотря на меньшую интенсивность излучения при 250 нм. Пе-
реход от 366 к 250 нм, однако, не дает никакоrо выиrрыша
в случае ксеноновой лампы, если только не расширить при этом
щель на монохроматоре возбуждения. Что касается анализи
рующеrо монохроматора, то в этом случае чувствительност
прибора будет зависеть от ero ширины полосы испектральнои
области люминесценции.
При мер указания «чувствительности прибора» для одноrо
KOHKpeTHoro случая приведен в табл. 46. Данные относятся
к условиям измерения спектра, приведенноrо на рис. 151 (см.
т аблuца 46
Способ указания «чувствительиости прибора»
Ртутная лампа CBepXBЫ ,
cOKoro давления
(20О Вт)
Решеточный, светосила
0,26 (с хлорным и ОХ7
фильтрами)
250 нм
9,6 нм
1,6. 10 9 эйнштейн/с
Под прямым уrлом, кю-
вета I смХ I см
Решеточный, светосила
0,30
400 нм
3,3 нм
E.M.I 9558 Q
I с
Концентрация антрацена
в спирте 10 11 мкr/мл
мерении paMaHoBcKoro спектра соответствующеrо растворителя
i3 кювете толщиноЙ 1 см (см разделы 1, Д, 7 и У, В, 1). Мноrие
спектрофлуориметры способны разрешать (частично или пол
ностью) rлавную полосу paMaHoBcKoro спектра циклоrексана
(смещение ВОлновоrо числа 0,29 MKM l) при возбуждении в об-
ласти 350 нм. Более строrиЙ способ состоит в разрешении рама-
новскоЙ полосы четыреххлористоrо уrлерода (сдвиr частоты
0,07 MKM l) от полосы рассеянноrо возбуждающеrо света. При
хорошем приборе, имеющем ртутныЙ источник, эта полоса долж
на быть по краЙнеЙ мере частично разрешена при возбуждении
светом 313, 366 и 436 нм (см. рис. 22). Добиться разрешения
полос с непрерывным источником rораздо труднее, и разрешение
полосы четыреххлористоrо уrлерода этим способом до сих пор
не описано. Следует отметить, что, в то время как освещение
небольшоЙ кюветы под прямым уrлом приемлемо при измере-
ниях спектров люминесценции, rде эффект BHYTpeHHero фильтра
должен быть сведен к минимуму, такая rеометрия далека от
идеальноЙ при реrистраuии рамановских спектров, для которых
наблюдаемый оптическиЙ путь через жидкость должен быть
как можно длиннее.
Источник света
Монохроматор возбуждения
Установка по длине волны
Полуширина полосы
Световой поток (без прерывателя)
Способ освещения
Анализирующий монохроматор
Установка по длине волны
Полуширина полосы
Фотоумножи,:,ель
Постоянная времени
Чувствительность прибора
3. Абсолютная чувствительность
Термин «абсолютная чувствительность» относится к конкрет-
ному веществу при определенных условиях, и выражать ero
лучше Bcero в форме, не зависящеЙ от прибора, используемоrо
для измерения. Интенсивность быстрой флуоресценции ИЛИ
фосфоресценции, испускаемоЙ разбавленныuм раствором одноrо
вещества, освещаемоrо светом определеннои длины волны, про
порциональна lоесрс [см. уравнение (21)]. Произведение еср яв-
ляется характеристикоЙ вещества при выбранноЙ длине волны
возбуждения и может служить мероЙ абсолютноЙ чувствитель-
ности флуоресценции или фосфоресценции вещества. Для боль-
шинства веществ, для которых ер не зависит от длины волны
возбуждающеrо света, максимум абсолютноЙ чувствительности
совпадает с максимумом наиболее интенсивноЙ полосы поrло-
щения, хотя получаемая на данном приб?ре чувствительность
не обязательно будет максимальноЙ в это и точке, так как ин-
тенсивность возбуждающеrо света при друrоЙ длине волны MO
жет быть значнтельно больше. Чтобы рассчитать практическую
единицу ЧУВСТВIпельности, Паркер и Рис [158] предл жили BЫ
ражать е как оптическую плотность образца толщинои 1 СМ при
Концентрации 1 мкr/мл (===D,,). Тоrда абсолютная u чувствитель-
ность r:pD')" выразится в мл/мкr. Несколько зна;ении максималь-
ноЙ абсолютноЙ чувствительности, выраженнои таким образом,
приведены в шестом столбце табл. 47. Чувствительность при лю-
раздел У, В). Такие детальные свеДения редко I1риводятся в
литературе; об ычно указывается «минимальная о наружимая
концентрация» бисульфата хинина при постояннои щели на
двух мовохроматорах. Для некоторых целеЙ указанные данные
Moryr оказаться достаточными, но они вряд ли I10MorYT, если
нас интересует совершенно друrая спектральная область.
В тех случаях коrда подробное описание ЧУВСТВИтельности
прибора не приводится, можно Воспользоваться простЫм спо-
собом, которыЙ дает ценные указания о характеристике прибо-
ра (чувствительности и разрешении). Этот способ состоит в из-
<::!
::
\Q
<::!
....
":
::;:
----
...
::;:
::;
=
:.;С<:>
:: ::(:.;
:: '" о..
g !::
НJ
g:::
0..0:::
<>
OCI :.; t>:
t ;; s
<>
OCI >'
:; .:.;
'"' о <>
:: = t
s
": О
8
to: '" I
C'\I р.. .')
= о '"
S c:5'
-== ...
8 o..
\с) =
< t>: <1J
g
<> ":
...
,.Q о
t t::
О
=
f-
О
":
r:::
t>:
(.)
<1J
'"
::<:
f-
r:::
о
"
'"
J
.....
<1J
::;:
>,
u
'"
::;:
..,
о
=
'"
'"
":
...
'"
j,
"",
"",
...::r
'" '"
'" "
"'::r
"и
"'''
>'р.
"о
"'>.
" "
".е-
...
'" '"
"'..
'" u
",о
о'"
1::
::;;
"'
:J::
ф
<D
СУ' ""
",Q
p.
"
, "'
Q)
ro ::Е S'
::Е >. о ro
:r:::E Q
р. 06-
" ,,
'"
"'",,,
g ;
..o:r: ::Ех..........
1:; Q)::: IO
::r ro
; oQ-:;'
f-O &
U >'х О.........
g.t::
::r
6-
'" '
'" '"
5,Z I
::: () ()::: ::Е
!3 о Q)::: ::t.
>.3 s-::f ::Е
t=; >.
t3
::;; :i
>.::f '"
u:r:"'.......
:: Q):::....
5'::r I
"'>. ::;;
:;;;" '"
.е- ::;;
.... ti ........
'" ::;;
>. '" '"
::;;"
5 g
'" о I
" ::;;
р.
о
'"
..
"
'"
Q,
'"
=
::0
=(/)
:: '"
><:r:
'"'
'" .
0&=
,.Q
": '
>,0
'"
'"
1'--
О
О
<5
tD
tD
О
<5
С<:>
О
<5
1.1';)
1.1';)
<5
1'--
.;<
о
tD
::!:..
1'--
c'i
а
1.1';)
о
о
.,;
с'1
1.1';)
q
о
.;<
cr>
<5
tD
<5
'"
1'--
<5
1'--
<5
1'--
1.1';)
1'--
9
.;<
.;<
cq
<1J
00:
О
=
'"
!-о
'"
'"
=
:.;
<1J
::(
a:3::r::
0..0
о '"
'Z
'6<
=
::
::;;
'"
"!
О
о..
L')
о
<5
q
о
с'1
<5
1.1';)
00
<5
о
с'1
с5
G'
.;<
о?
а
cr>
::!:..
.;<
о
c'i'
o:i
<5
'"
С<:>
О
О
<5
cr>
<5
1.1';)
'"
о
<5
'"
с'1
<5
00
<5
а
.;<
1.1';)
cq
00
'"
о?
::r::
о
'"
z
:d
<5
'"
=
::
'"
о
(1)
ПРИМЕНЕНИЕ В АНАЛИТИЧЕСКОй ХИМИИ
389
с'1
00
с'1
О
О
О
<5
бой друrой длине волны возбуждения может быть рассчитана
из максимальнОй величиНЫ отнесением ее к спектру поrлощениЯ
(или, что более точно, к исправленному спектру возбужде-
ния) .
Коrда люминесценцию выделяют не фильтром, а монохро-
матором, то обычно не используют полный спектр испускания,
а выбирают узкую полосу длин волн вблизи максимума. Тоrда
абсолютная чувствительность будет зависеть не только от про-
изведения q;D", но также и от эффективной полуширины полосы
Н (равной площади, деленной на высоту максимума). Поэтому
для сравнения веществ целесообразно ввести величину r:pDJH
(показатель чувствительности флуоресценции). В седьмом и
восьмом столбцах табл. 47 этот пара метр приведен как для мак-
симума поrлощения, так и для линии ртути 366 нм. Очевидно,
что в последнем случае абсолютная чувствительность MHoro ни-
же, чем в первом. Однако длину волны 366 нм часто исполь-
зуют, поскольку ее леrко выделиТЬ, притом с RЫСОКОЙ интенсив-
ностью; это, а также ряд друrих обстоятельств иноrда компен-
сируют некоторую потерю в абсолютной чувствительности.
Данные, приведенные в табл. 47, можно непосредственно ис-
пользовать при работе с различными приборами, и они особен-
но ценны при обсуждении относительных ошибок различных
методов флуориметрии. Например, для флуориметрическоrо оп-
ределения селена ero превращают в 4,5 бензопиазселенол [327]
или в 3,4 диаминофенилпиазс ленол [328]. Показатель чувстви
тельности флуоресценции при 366 нм для первоrо соединения
(r:pD з66 jН == 0,12 в циклоrексане) более чем в 20 раз выше, чем
для BToporo (r:pD з66 /Н == 0,0045 в толуоле), и, таким образом,
уже на основании этоrо видны значительные преимущества ис-
пользования первоrо соединения.
Показатель абсолютной чувствительности флуоресценции
используется также для предсказания возможной чувствитель-
ности определенноrо прибора. В этом случае необходимо при-
нять во внимание характеристики прибора. Предположим, на-
пример, что чувствительность спектрофлуориметра для обнару-
жения бисульфата хинина с возбуждением светом 366 нм из-
вестна и нужно определить чувствительность в случае тионина.
Показатель абсолютной чувствительности тионина (табл. 47,
столбец 8) составляет 0,038 (0,00028/0,0073) от показателя би-
сульфата хинина. Предположим далее, что кривая спектральной
чувствительности анализирующей системы такая же, как на
рис. 54. Последний показывает, что чувствительность в макси-
муме флуоресценции тионина составляет приблизительно 0,6 от
чувствительности в максимуме флуоресценции бисульфата хи-
нина. Следовательно, при возбуждении светом 366 нм чувстви-
тельность прибора по отношениЮ к тионину равна 0,038 Х 0,61
о
<5
"':
'"
о
<5
.;<
'"
<5
tD
1.1';)
о
о
<5
о
'"
<5
.;<
с'1
О
<5
1.1';)
с'1
<5
00
<5
а
о
::!:..
о
1.1';)
c'i
с'1
'!.'?
с:;-
1.1';)
1'--
о>
е<5
00-
о)
1'--
'!.'?
<1J
":
О
=
'"
!-о
'"
'"
=
<1J
::(
'"
о..
!-о
=
<
о
(/)
х
:d
<5
'"
=
:.;
=
о
::
Е--<
390
r ЛАВА V
nРИМЕНЕНИЕ в АНАЛИТИЧЕСКОй ХИМИИ
391
или 0,023 от ero чувствительности по отношению к бисульфату
хинина. Рассмотрение спектра поrлощения тионина показывает,
что чувствительность можно увеличить более чем в 100 раз,
если перейти к длине волны возбуждения, соответствующей MaK
симуму поrлощения Тионина. Естественно, что окончательный
выбор длины волны возбуждения будет зависеть от друrих
факторов, таких, как интенсивность источника возбуждения и
характеристики друrих КОмпонентов раствора.
Описанный выше способ применения показателей абсолют
ной чувствительности требует знания спектральной чувствитель
ности и относительной интенсивности возбуждения спектро-
флуориметра, а также некоторых расчетов. Мноrие исследова
тели избеrают этоrо, непосредственно измеряя максимумы длин
волн возбуждения и испускания на своем приборе и реrистри-
руя таким способом минимально обнаружимые концентрации
рЯДа веществ. Конечно, эта процедура оправдана. лишь в том
случае, если полученные данные будут использоваться впослед-
ствии в работе с тем же при бором и источником света. Однако
всеrда имеет смысл проверить, не даст ли лучших результатов
некоторая модификация прибора, скажем замена источника CBe
та. В любом случае следует иметь в виду, что показатели чув-
ствительности абсолютной или относящейся к данному при-
бору относятся к идеальным условиям, т. е. к растворам чис-
Toro вещества в отсутствие всех мешающих определению факто-
ров. Фcrктическая чувствительность, которая достиrается на
практике, т. е. общая чувствительность метода, может быть
rораздо ниже.
Рамановское испускание растворителя.
Люминесценция кюветы и окружающеrо пространства.
Рассеянный свет.
Люминесцирующие примеси, содержащиеся в растворителе
или peareHTax.
Люминесценция друrих компонентов образца.
КаЖДЫЙ из этих факторов мы обсудим отдельно в разделе У, В,
здесь же рассмотрим в общих чертах, каким образом наличие
фона люминесценции оrраничивает чувствительность метода и
каки'е виды измерений лимитируются фоном, а какие прибо
ром.
Если величина фона больше, чем отношение электрическоrо
сиrнала к шуму для самой определяемой системы, То, очеВИk
но, чувствительность метода будет ависеть от способност об
наруживать слабый дополнительныи сиrнал наложенныи на
сиrнал фона. По сути дела фон создает новыи источник «шума ,
и величина этоrо «шума» будет зависеть от точности, с которои
фон может воспроизводиться от опыта к опыту. Если, напри-
мер, фон обусловлен rлавным образом ;:>амановским испуска-
нием растворителя, то ero можно воспроизвести с точностью до
нескольких процентов; в этом случае вполне возможно запи-
сать люминесценцию, уровень которой составляет Bcero. лишь
1 0 20 % соответствующей величины для фона. С друrои сто-
роны, если метод включает ряд химических процедур выделения
определяемоrо образца и (или) получения из Hero люминесци-
рующеrо соединения, то фон может значительно меняться от
опыта к опыту. При таких обстоятельствах минимальное зна-
чение сиrнала люминесценции может несколько превышать cpeд
нюю величину фона. В любом случае, по-видимому, желатель
но провести эксперимент таким образом, чтобы снизить фон до
минимума, одновременно стараясь получить максимальную
чувствительность.
Даже при использовании современных чувствительных при
боров бывают случаи, коrда чувствительность метода все же
лимитируется прибором. Это возможно, например, если на oд
ВОМ из монохроматоров должны быть очень узкие щели, чтобы
получить высокое разрешение (в частности, при измерении не-
которых спектров Шпольскоrо), или если спектры возбуждения
веобходимо измерить в области, rде интенсивность сплошных
источников низка, например ниже 250.нм. Методы, которых
используется люминесценция в близкои инфракрасно области,
вероятно также лимитируются прибором из за низкои чувстви
тельност детекторов в этой области.
Следует отметить, что некоторые методы, связанные с из-
мерением сильно люминесцирующеrо. соединени , присутствую-
щеrо в образце в виде существеннои составнои части, MorYT
4. Чувствительность м-етода
Интенсивность флуоресценции или фосфоресценции, испус-
каемой раствором, прямо пропорциональна интенсивности воз-
буждающеrо света и общей чувствительности реrистрирующей
системы. Поэтому, увеличивая мощность или эффективность
источника возбуждения. можно, казалось бы, неоrраниченно улуч-
шать метод, т. е. уменьшать предельно обнаружимую концент-
рацию раствора. О.lщако ниже определенной концентрации
повышается роль друrих факторов, которые оrраничивают воз-
можности метода, и увеличение чувствительности прибора при
этих условиях не дает реЗУЛЬ'rатов. Лимитирующим фактором MO
rYT быть фотохимические реакции или (чаще) cFeT, попадаю
щий в приемник не от исследуемоrо люминесцирующеrо paCT
вора, а от посторонних источников, т. е. величина cYMMapHoro
фона. Возникновению люминесцентноrо фона может способство-
вать ряд следующих факторов! связанных как с прибором, так и
С анализируемым образцом:
392
r ЛАВА V
ПРИМЕНЕНИЕ В АНАЛИТИЧЕСКОй ХИМИИ
393
соответствующей полосы воды, спиртов и уrлеводородов.
В табл. 48 для каждоrо из пяти растворителей приведено поло
жение rлавноЙ рамановскоЙ полосы, наблюдаемоЙ при возбуж
дении различными линиями ртути.
Наложение paMaHoBcKoro испускания воды на спектр флуо-
ресuенции трех растворов бисульфата хинина, возбуждаемыЙ
линиеЙ ртути 366 нм, показано на
рис. 144. При hИЗКОЙ чувствитель
ности, используемоЙ для записи
спектра caMoro концентрированноrо
раствора (кривая Б), максимум
рассеянноrо света остается в преде
лах шкалы, и rлавная рамановская
полоса образует лишь небольшоЙ
изrиб на кривоЙ спектра флуорес-
ценции. При унеличении чувстви
тельности (для спектров более раз-
бавленных растворов) рамановская
полоса становится все более интен-
сивноЙ (кривые В и Т).
Таким образом, рамановская по-
лоса настолько уже полосы флуо-
ресценции бисульфата хинина, что
ее леrко идентифицировать, исполь-
зуя узкие щели. Однако, если по-
пытаться повысить чувствительность
прибора увеличением щелеЙ анали
ЗИРУlOщеrо монохроматора (для TO
[о чтобы записать спектры очень
разбавленных растворов), paMaHOB
ская полоса, по-видимому, значи-
тельнО расширится, и ее можно при
нять за часть полосы бисульфата
хинина (ср. кривые А и Б на рис. 145). Величину рассмот-
ренных помех можно скорректировать, измеряя испуск ние
чистоrо растворите.'IЯ. То, что широкая полоса на кривои Б
(рис. 145) обусловлена именно рамановским рассеянием, мож
но подтвердить, возбуждая тот же спектр флуоресценции све-
том более короткоЙ длины волны возбуждения: положение по-
лосы флуоресценции бисульфата хинина не изменится, а до-
полнительная полоса сдвинется в коротковолновую сторону так,
что ее расстояние (в шкале волновых чисел) от линии ВОЗ
буждающеrо света останется прежним. Помехи усиливаются,
если спектр флуоресценции имеет колебательную структуру.
Например, в спектре, приведенном на рис. 147, полоса комбина
ЦИOlшоrо рассеяния значительно искажает спектр испускания
быть лимитированы прибором. Это наблюдается, КОl'да томи-
несцирующему соединению сопутствуют СИльно поrлощаlOщие
вещества в высокоЙ концентрации. Следовательно, для получе
ния приемлемых результатов нужно разбавить раствор Ha
столько, чтобы общая оптическая пЛОтность при всех paCCMaT
риваемых длинах волн была незначительноЙ; при этом концент-
рация люминесцирующеrо вещества может оказаться столь
низкоЙ, что будет трудно измерить ero спектр возбуждения
в коротковолновоЙ области.
В. ФАКТОРЫ, СПОСОБСТВУЮЩИЕ ПОЯВЛЕНИЮ
ЛЮМИ НЕСЦЕнтноrо ФОНА
1. Спектр комбинационноzо рассеяния растворителя
Природа эффекта Рамана была рассмотрена в разде
лах 1, Д, 5 7, [де описывались спектры комбинационноrо pac
сеяния некоторых растворителеЙ, обычно при меняемых в спек
трофлуориметрии (см. рис. 22). Полоса комбинационноrо рас-
сеяния всех растворителеЙ с водородными атомами, связан
ными с уrлеродом или кислородом, сдвинута примерно на
0,3 MKM 1 в длинноволновую сторону от полосы возбуждающеrо
света, и наиболее вероятно, что именно эта полоса мешает при
измерении спектров флуоресценции. К сожалению, эти раство-
рители применяются наиБО.lее часто, и, если помех нельзя избе-
жать друrим путем, следует рассмотреть ВОЗМОЖНОсть исполь-
з )Вания четыреххлористоrо уrлерода (при длинах волн, боль
ших, чем rраница ero поrлощения), так как ero рамановская
ПОJlOса лежит так близко к длине волны возбуждающеrо света,
что ее мешающее деЙствие не проявляется. С этоЙ же точки
зрения стоит раССМ01реть и хлороформ; хотя у Hero и есть по
лоса 0,3 MKM 1, однако ее интенсивность меньше интенсивности
Таблица 48
Положения rлаВНblХ рамановских полос,
соответствующие раЗЛИЧНbI\! линиям ртути
Длина волны возбуждающеrо
света, нм
Растворитель I I
248 I 313 366 405 I 436
Вода 271 350 418 459 511
Этанол 267 344 410 459 500
Циклоrексан 267 344 409 458 499
Четыреххлори- 320 376 418 450
стый уrлерод 346
Хлороформ 411 461 502
А
А
2,72,6 и 2,2 2,0 1,8
.мк.м 1
Рис. 144. Спектр испускания
флуоресценции бисульфата хи
нина в 0,1 н. серной кислоте,
возбуждаемый линией ртути
356 нм и искаженный наложе-
нием rлавной рамановской по-
лосы воды [73].
А чистая Бода при низкой чувстви.
тельности; .Б бисульфат хинина
в 0.1 н. серной кислоте (0,1 MKr{MJI)
при той же чувствительности;
В 0,033 мкr/мл при большей ЧУВ-
ствительности; r 0,01 мкr{мл прн
еще более высокой чувствитель"
НОСТИ.
394
r ЛАВА V
ПРИМЕНЕНИЕ в АНАЛИТИЧЕСКОй ХИМИИ
'395
2,72,6 2,4 2,2 2,0 1,8
.м1(M !
Рис. 145. 'Влияние ширины
щели на спектры испуска
иия флуоресценции и paMa
HOBcKoro рассеяния [73].
Бисульфат хинина в 0.1 н. cep
ной киСлоте (0,001 мкr(мл); воз
буждеиие линией ртути 366 им;
А ширина щели 0,25 мм; Б ши
рииа щели 1,75 мм и более ииз
кая чувствительность.
срезающиЙ длины волн ниже 430 нм. Аналоrично этому, коrда
для возбуждения ИСIIользуется линия ртути 405 нм (paMaHOB
ская полоса воды лежит при 469 нм), второй фильтр не дол-
жен заметно про пускать ниже 480 нм. Таким образом, выбор
в
3,6 3,3 3,0 2,7
.мKM l
Рис. 146. Спектры воз
буждения флуоресцен-
ции антрацена в цикло
reKcaHe с наложением
спектра комбинационноrо
рассеяния растворителя
[73].
Аиализирующий моиохрома
тор установлен иа 397 им;
А чистый растворитель;
Б антрацен в циклоrексане,
0,007 мкr(мл; В то же, но
0,025 мкr(мл.
нием; при Этом полоса
ветственно сдвиrаться.
Рамцновское ИСПУСl<"ание растворителя, если не принять
соответствующих мер, может привести к большим значениям
фона в высокочувствительноЙ флуориметрии с фильтрами. Ha
пример, для ВQзбуждения часто используется линия ртути
366 нм, выделяемая посредством «черноrо стекла» (например,
марки Chance ОХ9А, срезающеrо длины волн приблизительно
при 405 нм, см. рис. 66). Если в качестве растворителя исполь-
зуется Чtтыреххлористый уrлерод, достаточно подобрать второй
фильтр, не про пускающий света с длинами волн ниже 410 нм.
Однако, если растворителем служит вода, rлавная полоса ком-
бинационноrо рассеяния появляется при 418 HI\I, и, чтобы из-
. бежать BbIcoKoro фона, необходимо подобрать второй фильтр,
caMoro разбавленноrо раствора антрацена, и он представляется
как бы Имеющим дополнительную колебательную полосу.
При идентификации веществ, присутствующих в малых кон-
центрациях, с помощью спектров испускания флуоресценции
необходимо учитывать возможность TaKoro наложения. Послед
нее пояВЛяется таКже в спектрах возбуждения, что хорошо ил-
люстрирует рис. 146, rде приведены
кривые (Б и В) спектров разбавлен-
ных растворов антрацена. Эти спект-
ры должны быть идентичны спектру
поrлощения, однако они искажены по-
лосой при 2,81 MKM l, присутствующей
в спектре возбуждения растворителя
(рис. 146, кривая А). Для измерения
этих спектров возбуждения анализи-
рующий монохроматор был установ-
лен на 2,52 MKM l (397 нм), т. е. на
волновое число, соответствующее rлав-
ной рамановской полосе циклоrексана
при ero возбуждении светом 2,81 MKM l.
Поэтому, коrда во время сканиро-
вания из монохроматора возбужде-
ния выходил свет с волновыми чис-
лами около 2,81 MKM l, соответствую-
щее рамановское испускание принима-
лось анализирующим монохроматором
и проявлялось в спектре возбуждения
в виде полосы с максимумом при
2,81 MKM l. Изменяя установку_ ана-
лизирующеrо монохроматора, можно
убедиться, что помехи действительно
обусловлены раманов ким испуска-
в спектре возбуждения будет соот-
r
2,7 2,5 2,3 2,1
-мк.м- 1
Рис. 147. Спектры испу-
скания флуоресценции
антрацена в циклоrек-
сане с наложением спе-
ктра комбинационноrо
рассеяния растворителя
[73].
Возбуждение длиной волиы
366 нм; А чистый раствори'
тель; Б 0,025 мкr(мл; В
0,05 мкr(мл; r 0,075 мкr(мл.
дополнительных фильтров в некоторых случаях настолько ело:
жен, что приходится отказаться от возможности иметь полныи
спектр флуоресценции. Примером может sлужить флуоримет
рическое определение борат иона реакциеи с бензоином (см.
раздел У, Ж, 1). Флуоресценцию борат бензоиновоrо комплекса
erKo возбудить линией 366 нм: максимальное испускание флуо
есценции наблюдается приблизительн.о при 480 нм (2,1 MKM l),
достаточно далеко от рамановскои полосы смешанноrо рас-
рителя, находящейся при 409 418 нм (2,39 2,45 MKM l)
(рис. 148). Поэтому в данном случае можно применить слабо
желтый фильтр, отсекающий длины волн приблизительно до
430 нм (2,33 MKM l). Однако по ряду причин (см. раз-
дел У, Ж, 1) для возбуждения удобнее использовать линию
396
r ЛАВА V
ПРИМЕНЕНИЕ В АНАЛИТИЧЕС Ой химии
397
2. Люминесценция кюветы и окружающио
пространства
ртути 405 нм. При этой длине волны борат-бензоиновый комп-
лекс п?rлощает слабее, и, следовательно, интенсивность рама-
НОвскои полосы по сравнению с флуоресценцией будет больше.
Кроме Toro, сложная рамановская полоса окажется теперь ря-
дом с максимумом флуоресценции и значительно исказит спектр
(рис. 149). Поэтому нужно подобрать такой дополнительный
фильтр, чтобы он срезал длины волн не менее чем до 480 нм
Р ii с. 148. Спектр испускания
флуоресценции борат-бензои
HOBoro раствора в водно-ще
лочном этаноле, содержащем
бор (0,004 мкr/мл) [73].
Длина волны возбуждения 366 11М.
в разделе 111,3, посвященном
peHHero фильтра, было отмечено,
ке желательно (насколь
ко это возможно) изме
:::s
рять разбавленные paCT
воры методом оспещения
под прямым уrлом это ;:3.......
упрощает интерпретацию &
результатов и сводит к
Ф б .cl
минимуму он, о услов ""'1\
,'Iенный рассеянным све- I:S
R
том И люминесценцией (5 u
кюпеты. Однако даже при
'--'
самом тщательном экра- :t:
нировании кюветы, коrда
анализирующий монохро-
м атор «не видит» осве-
щаемые rрани кюветы,
флуоресценция от ее CTe
нок рассеивается paCTBO
рителем, что приводит к
возникновению СИЛЬНОI'О
фона. Трудности особенно
велики, коrда для возбуж-
дения используется свет
коротких длин волн. Так,
при освещении светом
250 нм плавленый кварц
сильно флуоресцирует,
что вызывает серьез ые искажения (рис. 150, кривая А). Поэто-
му, если необходима высокая точность, следует применить Кю-
веты из синтетическоrо кварца, фон KOToporo обычно незначите-
лен, если, конечно, использовать освещение под прямым уrлом
(рис. 150, кривая Б). При фронтальном или линейном освеще
нии флуоресценция кюветы вводит значительно больший фон,
заметныЙ даже в случае синтетическоrо кварца. Подобно этому,
если спектрофосфориметрия или спектрофлуориметрия исполь
зуется для идентификации пятен или зон на хроматоrрафическоЙ
бумаrе или колонке, чувствительность часто лимитируется флуо-
ресценциеЙ адсорбентов, таких, как фильтровальная бумаrа, си-
ликаrель и т. Д При измерении образцов при температуре жид-
Koro азота необходима особая осторожность, чтобы избежаТI)
люминесцентноrо фона. Если кювета помещена в сосуд Дыоара
1.6
Рис. 149. Спектры испускания
флуоресценции бората в BOДHO
щелочном этаноле, содержащем
бор (0,004 мкr/мл) [73].
Длина волиы возбуждения 405 им.
А ---- без добавления бензоина:
Б после добавлеиия беизоина:
(2,08 MKM I). ЭТО приведет к потере флуоресценции, но может
оказаться приемлемым, если флуориметр с фильтрами имеет
высокую чувствительнос ь.
До сих пор мы рассматривали только измерение флуоресцен
ции жидких растворов при комнатной температуре. rораздо
проще обстоит дело с рамановским испусканием в твердых стек-
лообразных растворах при 77 К. К тому же, поскольку раманов-
ское испуск;шие (точнее следовало бы сказать «рамановское
рассеяние») происходит в предел ах времени колебания световой
волны, оно полностыо убирается фосфороскопом и, следователь
но, не мешает измерению фосфоресценции или замедленной
флуоресценции ни n жидких, ни n твердых средах.
рассмотрению эффекта внут-
что в аналитической практи-
зоо
350
400
450
Д.Аина дО.llНЫ, НМ
Рис. 150. Помехи, обусловленные рассеян-
ным светом и флуоресценцией кюветы из
шraвленоrо кварца [210].
Спектр чистоrо циклоrексаиа, возбуждаемый све-
том ОТ небольшоrо решеточноrо монохромзтора.
установленноrо на 250 им; А...... в кювете ИЗ плавле
иоrо KBapI(a с фильтрами в пучке возбуждающеrо
света (чувствительность 1000); Б в I(ювете из сии'
тетическоrо кварца с фильтрами (чувствитель-
НОСТЬ 1000); В ---- ТО же, что и 8, НО чувствнтель.
НасТЬ равна 500, чтобы ПQКЗЗ3ТЬ интенсивность
рамановской полосы; r в кювете нз сннтетиче
cl(oro кварца без фильтров (чувствительиость 1000).
398
rЛАВА v
ПРИМЕНЕНИЕ В АНАЛИТИЧЕСКОй ХИМИИ
399
IIЗ плаВлеНОI'О кварца, ЛIOМинесцеНЦИЯ последнеrо может дa
вать очень большоЙ фон, состоящиЙ из флуоресценции и фосфо-
ресценции, поэтому кювету необходимо экранировать со всех
сторон, оставив лишь небольшие отверстия для выпуска возбуж
дающеrо света и наблюдения люминесценции.
Особенно серьезны помехи, вызванные фосфоресценциеЙ кю-
веты (или окружающеrо пространства) при измерении замед-
ленноЙ флуоресценции (см. раздел 111, Н, 8). Здесь фон имеет
вид истинноrо сиrнала спектр идентичен быстроЙ флуорес-
ценции исследуемоrо вещества. Однако это не истинная замед-
ленная флуоресценция, а быстрая флуоресценция, возбужден-
ная пОiJлощенuем. фосфоресценции кюветы. I
Наконец, следует упомянуть возможную флуоресценцию оп- J
тики перед входноЙ щелью анализирующеrо монохроматора.
Если она изrотовлена из плавленоrо кварца, то последниЙ мо-
жет давать неприятный фон при возбуждении короткими дли-
нами волн напросвет (см. раздел 111, З, 4). При фронтальном и
боковом возбуждении этот эффект обычно незначителен.
3. Рассеянный свет
Помехи, вызванные рассеянным светом, подобно помехам
от флуоресценции кюветы, будут наименьшими при освещении
под прямым yrJIOM. Если же для возбуждения и реrистрации ис-
пользуются двоЙные призм нные монохроматоры, то от этих
помех всеrда можно избавиться даже при фронтальном освеще-
нии, ибо максимум рассеянноrо света появляется при более ко-
роткоЙ длине волны, чем флуоресценция. Однако в большинстве
приборов используются обычные монохроматоры, и рассеянный
свет может вызывать помехи различными путями. Обычно поме-
хи обусловлены нежелательными длинами волн в пучке возбуж-
дающеrо света. Они образуются при рассеянии внутри монохро-
матора возбуждеНИiI (см. раздел 111, Б, 1 О) и MorYT приводить
к большому фону при работе с высокой чувствительностью. Так,
кривая r (см. рис. 150) это «спектр» чистоrо циклоrексана,
коrда для выделения возбуждающей линии ртути 250 нм был
использован решеточный монохроматор. Почти весь спектр
обусловлен небольшим количеством случайноrо света всех длин
волн, прошедшеrо через монохроматор возбуждения, рассеян-
Horo растворителем и попавшеrо в анализирующий монохрома-
TOp; на кривой r ясно видны максимумы, отвечающие линиям
ртути 302, 313, 334, 366, 405 и 436 нм. Этот случайный рассеян-
ный свет был полностью удален использованием cocTaBHoro
фИЛЬТDа [кювета толщиной 2 см с rазообразным хлором и стек-
ло (2'мм) марки Chance ОХ7]. Этот фильтр поrлощает все
длины волн выше 300 нм, но пропускает нужную для возбуж-
дения длину волны 250 нм. Таким образом, спектр испускания
флуоресценции циклоrексана был почти полностью освобожден
от мешающеrо рассеянноrо света. Интенсивная полоса при
269 нм (кривая В на рис. 150) обусловлена rлавноЙ paMaHOB
ской полосой циклоrексана и показывает чувствительность при
бора, при которой были измерены спектры. ДруrоЙ пример
подавления помех от рассеянноrо возбуждающеrо света с по-
мощью фильтров приведен в разделе 111, r, 2 и на рис. 67.
В этом же разделе описаны помехи, которые MorYT быть
вызваны случайным светом из спектра BToporo порядка реше
точноrо монохроматора; в этом случае рекомендуется приме-
нение дополнительных фильтров.
Искажения MorYT возникать даже при полной монохроматич
ности возбуждающеrо света в результате неэффективности
анализирующеrо монохроматора. Они -особенно ясно выражены
при фронтальном освещении, коrда сравнительно большая часть
возбуждающеrо света рассеивается образцом и попадает в ана-
лизирующий монохроматор. Небольшая часть этоrо света eac
сеивается затем оптикой этоrо монохроматора и в какои то
мере достиrает фотоумножителя при установке на любую дли:
ну волны. Таким образом, для Toro чтобы работать с высокои
чувствительностью при фронтальном освещении, между образ-
цом и анализирующим монохроматором необходимо поставить
фильтр с резкой коротковолновой rраницей (к тому "же "нефлуо
ресцирующиЙ) или, что лучше, использовать двои нои МОНО-
хроматор.
4. Люминесценция примесей, присутствующих
в растворителях и реаеентах
Сложность очистки растворителей от флуоресцирующих и
фосфоресцирующих примесеЙ очень сильно зависит от типа
растворителя. Конечно, растворитель необходимо очищать толь
ко до такой степени, которая требуется для данноrо определе-
ния, но, поскольк:' запасы растворителя в лаборатории держат
для использования при различных измерениях (часто высоко-
чувствительных), полезно иметь общиЙ критерий высокой" чисто-
ты. Хороший метод определения чистоты растворителеи, про-
пускающих ультра иолетовый свет, состоит в" возбуждении све-
том 250 нм высокои интенсивности от ртутнои лампы BbIcoKoro
давления, выделенным посредством монохроматора и фильтров,
как это описано для кривой Б на рис. 150. В этих условиях
rлавная рамановская полоса большинства растворителей появ-
ляется приблизительно при 270 нм, и спектральная область
выше 280 нм будет свободной от помех. Почти все типы флуо
ресцирующих примесей поrлощают при 250 нм И 1 следовате.l1ЬНОI
400
r ЛАВА V
будут обнаружены. Безусловно, следует контролировать по-
rлощение растворителя при 250 нм, чтобы убедиться в OTCYT
ствии больших концентраций поrлощающих примесей, иначе
сильно заrрязненный растворитель не будет пропускать Воз-
буждающиu свет до середины кюветы и может показаться He
флуоресцирующим по этой причине. В этом методе проверки
всеrда имеет смысл записать rлавную полосу paMaHOBcKoro pac
сеяния, если нужно, при
пониженной чувствитель
ности прибора. Высота
этой полосы является
«внутренним стандартом»
и облеrчает, таким обра
зом, количественное cpaB
нение спектров, снятых в
разное время; кроме Toro,
она обеспечивает провер
ку правильности работы
при бора.
Продажный циклоrек-
сан высокой чистоты обыч
но можно использовать
без дальнейшей очистки
(см. кривую Б на рис.
150). Абсолютный этанол,
применяемый в лаборато
рии, содержит флуоресци
рующие при меси в доволь-
но больших концентра-
циях, но их леrко удалить
одной переrонкой, как это описано в разделе III, Н, 7 (ср. кри
вые А и Б на рис. 151). В своей 'работе автор встретился с та-
ким фактом, что все порции этанола из одной партии coдep
жали 1 2 ч. антрацена на 10 ч. спирта (см. кривые А и В на
рис. 151), очевидно попавшие при произвuодстве или расфасовке.
Такую примесь леrко удалить переrонкои, а сам факт приведен
здесь для иллюстрации Toro, какая высокая чувствительность
метода может быть достиrнута в флуоресцентном анализе при
блаrоприятных условиях. Так как ПОI:азатель чувствительности
флуоресценции антрацена при 250 нм высок, а флуоресценция
очищенноrо этанола незначительна, минимальная обнаружимая
концентрация антрацена в спирте составляет меньше 1 ч. на
1011 ч. пос ТIеднеrо.
Спектры флуоресценции некоторых образцов воды припеде-
ны на рис. 152. Двукратная переrонка обычной воды значИ1СЛЬ-
fЮ уменьшает ее флуоресценцию, хотя при длинах нолн более
::s
::r
::t
:t
11>
::t
...
11>""
O!
g
ос\\:)
I::
...Q.
01:::
:z:'"
[g
...:!:
:t:""'
CI>
1:
300
350
400
450
д",ина BOJtllbl. Н-И
Рис. 151. Флуоресценция примессй в эта-
ноле [210].
Позбуждение, как и для спектра на рнс. 150, с филь
трами (чувствительность 625); А этанол без обра-
ботки; Б этанол, очищенный переrонкой; В ОЧН
щениый эта нол с добавкой антрацеиа (0,0003 мrfмл).
ПРИМЕНЕНИЕ В АНАлiПИЧЕСКОИ ХИМI1И
401
350 нм она все еще флуоресцирует несколько сильнее, чем
однократно переrнанный этанол (ср. кривые Б и r на рис. 152).
Трудность удаления последних следов флуоресцирующих при-
месей, вероятно, обусловлена их летучестью; возможно, что
предварительная переrонка воды над щелочным раствором
nepMaHraHaTa даст большую степень очистки. Деионизация при
условии, что первые порции из деионизатора отбрасываются, по;
видимому, не вносит в систему флуоресцирующих примесеи
(кривая В на рис. 152).
. '",'
:!:
... А
1::...
iJ А
4О:!:
;:,'"' ,r
'-'::!
:z:::s
CI>:t .л. Е
Е::!:
550
JOO 350 400 450 500
I ДАина BO.ll ll bI. н.м
Рис. 152. Флуоресценция примесей в образцах воды [210].
Возбуждение, как и для спектра на рнс. 150, с фнльтрами; А обычная вода (чувствитель'
ность 2500); Б дважды переrнанная вода (чувствительность 2500); в переr!,анная один
раз и деИОНИ30ванная Бода (чувствительность 2500); r эта нол После ОДНОИ переrонки
(чувствнтельность 2500); Д то же, что А, но при ч>:.вствительности 625, чтобы показать
интенсивность рамаНО8СКОН полосы.
ЭтиловыЙ эфир очистить леrко, однако для удаления по
Ulедних следов флуоресценции из парафинов, таких, как изо-
пентан или H reKcaH, требуется продолжительная обработка
олеумом. Флуоресценция и (или) фосфоресценция растворителя
при 77 К обычно значительно больше, чем при комнатной тем-
пературе, особенно при возбуждении коротковолновым светом.
В тех методах, rде требуется предварительное выделение'
люминесцирующеrо соединения (до измерения), возможно появ
ление дополнительных источников фона. Одним из таких источ
ников MorYT быть случайные заrрязнения, которые особенно зна-
чительны при определении таких веществ, как бор, кремниЙ или
смазочное масло. Второй источник фона (для неорrанических
соединениЙ он часто является rлавным) это примеси в peareH
тах. Наконец, peareHT, с которым должно прореаrировать веще
ство (чтобы дать необходимыЙ для измерения люминесцирую
щиЙ продукт), может незначительно разлаrаться даже в отсут-
ствие определяемоrо вещества. При этом образуются новые
люминесцирующие соединения, которые MorYT способствовать
увеличению фона. При решении мноrих практических задач ЛIO
минесцентноrо анализа нельзя избежать выдеЛеНИЯ веЩестВа 11
402
r ЛАВА V
ПРИМЕНЕНИЕ В АНАЛИТИЧЕСКОЙ ХИМИИ
403
(или) Химической реакции. Образующийся при этом фон часто
значительно превышает фон от примесей в растворителе (см.
предыдущий раздел) и становится rлавным фактором, лимити-
рующим чувствительность. Мы не будем подробно обсуждать эту
проблему, но коснемся ее при обсуждении конкретных методов.
11 фенантрена максимально: это соответствует приблизительно
линии ртути 302 нм. Концентрация фенантрена должна быть
оrраничена примерно 100 мкr/мл (оптическая плотность на 1 см
при 302 нм равна 0,2). Выбранная длина волны возбуждени
лежит на rранице спектра испускания флуорена, и рассеянныи
свет возбуждения мешает измерению разбавленных растворов
флуорена в любом из максимумов флуоресценции. При использо-
вании двойноrо монохроматора интенсивность рассеянноrо света
незначительна при 312 нм, и тоrда флуоресценция, обусловлен-
5. Люминесценция друzuх компонентов образца
В принципе помех, вызванных люминесцирующими приме
сями, содержащимися в анализируемом образце, можно избе
жать, при меняя соответствующий физический или химический
метод для выделения интересующеrо люминесцирующеrо соеди
нения перед ero измерением. Хотя часто предварительноrо BЫ
деления избежать нельзя, всеrда стоит попытаться разработать
прямой метод, требующий минимальной обработки образца пе
ред измерением (или не требующий ее вовсе). Не rоворя уже
о том, что такие прямые методы являются более быстрыми, пре
имущество их состоит и в том, что удается избежать фона от
peareHToB, а также потерь материала важное обстоятельство
при анализе малых количеств или нестойких соединений. Пожа
луй, наиболее часто рассматриваются именно эти методы, Ha
ряду с так называемыми одновременными, в которых несколько
компонентов смеси определяются без выделения с применением
соответствующей люминеспентноЙ методики. Мы будем обсуж
дать этот вопрос ПОЗДнее, а здесь приведем лишь два примера,
в которых определяемые соединения присутствуют в качестве
примесей (следы) в сильно флуоресцирующем веществе. Если
подобрать подходящие условия, каждую из этих примесей можно
определить прямым методом так, что флуоресценция rлавной
составной части даст в рассматриваемой области длин волн
только небольшой сиrнал, который можно принять за часть CYM
MapHoro фона, определяющеrо чувствительность метода.
Рассмотрим такую аналитическую проблему определение
следов антрацена и флуорена в фенантрене высокой чистоты.
Спектр поrлощения фЛУJрена пздает до нуля при длинах волн
короче 310 нм, тоrда как фенантрен пот'лощает при всех длинах
волн до 350 нм. Таким образом, нет такой длины волны, при KO
тороЙ можно возбудить флуорен, не возбуждая также флуорес-
ценции фенантренс;. Однако спектр испускания флуоресценции
флуорена (кривая Д на рис. 153) раСПоложен в области, rде
испускание фенантрена по существу отсутствует (кривая К на
рис. 153). Поэтому опредеЛt:ние флуорена в присутствии фенан-
трена вполне возможно при условии, что концентрация послед
Hero все же оrраничена и эффект BHYTpeHHero фильтра не пре
вышает разумных rраниц. ОптимальноЙ длиноЙ волны является
. та! при которой отношение коэффициентов поrашения флуореНq
а
::r
::r
::r
::r
u
"'"
2-0\
",,!;:!
...
э-i:3 д,'
"( ,1
'" '" "
Е: \"! l'
u@- , '
°u
iJ I
"'" I
'-'...., I
'" I
"
Е: I
I
I
,
I
,
300 325
d
350
425
Д,;rUllа BO,;rHbl, Н-М
Рис. 153. Определение флуорена 11 антрацена в фенантрене измерением
флуоресценции при комнатной температуре [210].
а возбужденне при 302 нм через двойной монохроматор; 100 мкr/мл фенантрена; А без
добавок; Б добавлено 0,005 мкr/мл флуорена; В добавлено 0,01 мкr/мл флуорена;
r только растворитель; Д только флуорен, I мкr/мл, возбуждаемый лнНией 250 нм.
б возбуждение прн 366 нм через двойной монохроматор; Е 1 %'ный (вес/объем) раствор
фенантрена в этаноле; Ж то же, что Е, но с добавлением 0,01 мкr/мл антрацена; з только
растворнтель; И то же, что Е, НО при 900 с; 1( 10 мкr/мл фенантрена, возбуждаемоrо
при 302 нм.
ная низкими концеhi'рациями флуорена, появляется при 312 нм
в виде изrиба на кривой рассеянноrо света (кривые А, Б и
В на рис. 153). rлавный вклад в фон дает рамановское испуска-
ние растворителя (кривая r на рис. 153). Добавочный сиrнал,
обусловленный присутствием флуорена (кривая А), соответ-
ствует содержанию последнеrо приблизительно 10 ч. в 106 ч.
фенантрена. Это минимальное количество, которое с уверен-
ностью можно обнаружить в образце. Отметим, что в рассмот-
ренном при мере чувствительность метода оrраничена не флуорес-
ценцией фенантрена, а ero по лощеfluем. Истинная концентрация
флуорена в растворе составляет Bcero лишь 0,001 мкr/мл, но кон.
центрация фенантрена должна быть оrраничена 100 мкr/мл.
404
rЛАВА v
rлощение света с длиной волны 366 нм молекулами термически
активированноrо фенантрена также вызывает флуоресценцию,
соответствующую всем остальным перехода м серии С, т. е. обыч-
ный спектр флуоресценции фенантрена. Этот спектр перекрывает
область флуоресценции антрацена и тем самым увеличивает фон
при определении последнеrо. Таким образом, флуорес енция
1 % Horo (вес/объем) раствора фенантрена при комнатнои тем-
пературе лишь незначительно увеличивается добавлением
'
." if
I I
1" I
I I
I I
I I
350 375 40О 425 450
Д,lluна БО,llНЫ, Н.NI
Рис. 155. Определение антрацена в феflянтрене по флуоресценции при
900 С [210].
Возбужденне прн 366 нм через двойной монохроматор; l%'ный (вес/объем) раствор фенан.
трена в этаноде; А без добавок; Б добавдено 0,01 мкr/мл антрацена; В добавлено
0.02 мкr/мл антрацена; r ТОЛЬко растворитель.
Что касается определения следов антрацена в фенантрене, то
на первый взrляд кажется, что оно не составляет труда. Антра-
цен поrлощает линию ртути 366 нм, которая находится за пре-
делами обычноrо поrлощения фенантрена. Таким образом, фе
наН1'рен, казалось бы, совсем не должен давать флуоресценции,
если иСпользовать для возбуждения двойной монохроматор, на-
строенный на 366 нм. Фактически же он обнаруживает слабую
флуоресценцию (кривая Е на рис. 153), часть которой располо-
жена в области длин волн более коротких, чем возбуждающий
KO.lle6aтe bHыe {
уровни первоео
:мектРDННО-ООЗ'
6уждвнноео сос-
тояния
:Z
:Z
:Z
'" "'::r,,::r ::t'
" "'5
"'''' QO::S ff
Oif :r"' '"
O Q:Z"' "g.
!
a t:;!:; t:I
.........д.....
::s
::r
:t'
::r
&
C;:!
:t)"
i
I:
!i
,,
"'"
ff"-,,,
"
А
в
с
/(ОАебате.lfI>Нblе {
уровни основно-
tO состояния
Рис. 154. Возбуждение в антистоксовой области [210].
свет (на рис. 153 большая часть коротковолновоrо участка
спектра не записана вследствие самопоr лощения). Этот эффект
известен под названием «аНТИСТОh:СОВО возбуждение» и может
быть леrко объяснен с помощью диаrраммы энерrетических уров-
ней, приведенной на рис. 154. Хотя при Комнатной температуре
большинство молекул фенантрена находится на наинизшем KO
лебательном уровне OCHoBHoro состояния и обусловливает полосу
поrлощения, соответствующую переходам А, небольшая их часть
из-за термической активации находится на более ВЫсоком коле-
бательном уровне OCHoBHoro состояния и обусловливает поr лоще-
ние, соответствующее переходам В (рис. 154). Переход с поrло-
щением наименьшей энерrии (в серии В) соответствует большей
длине волны, чем переход с испусканием наибольшей энерrии
(в серии С). Следовательно, флуоресценцию, отвечающую этому
переходу, можно возбудить поrЛОЩением света большей длины
вf)лны, чем длина волны флуоресценции. При определении антра-
цена нас не интересует область длин волн короче 366 нм, но по-
ПРИМЕНЕНИЕ В АНАЛИТИЧЕСКОй ХИМИИ
405
А,Б
иВ
001 мкr/мл антрацена (ср. кривые Е и Ж на рис. 153). Посколь-
ку «фенантреновый фон» зависит от концентрации термически
активированных молекул, ero можно уменьшить, ПРОВОДаЯ изме-
рение при низкой температуре: например, переход к 90 С сни,
жает фон приблизительно в шесть раз" (см. кривую И на
рис. 153). Следовательно, работая при этои температуре, можно
повысить чувствительность прибора и обнаружить более низкую
концентрацию антрацена. Итак, добавление 0,01 мкr/мл антра.
цена значительно увеличивает испускание флуоресценции (ср.
кривые А и Б на рис. 155), и rлавные максимумы в спектре ан-
трацена становятся отчетливыми. Большая часть флуоресценции
чистоrо фенантрена (кривая А на рис. 155) обусловлена теперь
вкладом paMaHoBcKoro испускания растворителя (см. кривую F)
и фл оресценции caMoro фенантрена (см. максимум в оБJIасти
406
rЛАВА v
ПРИМЕНЕНИЕ В АНАЛИТИЧЕСКОй ХИМИИ
407
около 385 нм). Учитывая эти два вклада, МОЖНО считать, что
минимально обнаружимая концентрация антрацена в присут
ствии 1 % Horo (вес/объем) раствора фенантрена составляет при-
мерно 0,001 мкr/мл, или 0,1 ч. на 106 ч. в расчете на образец фе
нантрена.
Рассмотрим теперь второй случай, коrда избыток peareHTa R
с концентрацией CR добавляют к раствору определяемоrо соеди-
нения А с концентрацией СА дЛЯ образования флуоресцирующеrо
продукта В:
6. Фоторазложение
В аналитической спектрофлуориметрии фоторазложение мо-
жет приводить к двум типам ошибок. Если фоторазложение
претерпевает само флуоресцирующее вещество, оно моЖет в зна
.чительной степени израсходоваться во время измерения или
записи спектра, что приведет к заниженной величине. Второй тип
ошибки появляется, коrда в результате фотореакции peareHTa,
использованноrо для получения флуоресцирующеrо соединения,
образуется друrой флуоресцирующий продукт. Образование по
следнеrо во время измерения спектра вносит вклад в суммарный
фон. Рассмотрим теперь, насколько сильно сказываются эти два
типа ошибок.
Пусть интенсивность возбуждающеrо света равна 10 .эйн-
штейн/с на 1 см. 2 поперечноео сечения пучка. Предположим те-
перь, что определяемое флуоресцирующее вещество разлаrается
с квантовым выходом Ф. В разбавленном растворе скорость по
rлощения света будет составлять 2300 Ec/ o эйнштейн/ (л . с) [см.
уравнение (21)], и, следовательно, относительную скорость раз-
ложения можно определить из уравнения
A+R B. (428)
Предположим далее, что peareHT претерпевает фо::оразложение
с квантовым выходом Ф, давая флуоресцирующии продукт Р.
СРв И СРР эффективности флуоресценции соединении В и Р
(предположим, что они имеют одинаковые спектры), а ев, ER и
Ер коэффициенты поrашения В, R и Р при длин; волны воз-
буждения. Сиrнал флуоресценции, обусловленныи соединени-
ем А, после ero реакции будет равен
F А == 2,3Е в С A/oCPB k ,
( 429)
1 dc
. == 2300Е/ о Ф.
С dt
( 427)
rде k постоянная прибора. Скорость образования Р путем
фоторазложения peareHTa выражается так:
dcpjdt == 23001 0 ФЕ R С R моль/(л, с), (430)
а скорость увеличения сиrнала флуоресценции, соответствую
щеrо этому фоторазложению, будет равна
dF p/dt == 2,3Epcpp/ok dCp/dt. (431)
Выразив это как долю флуоресценции, ызванной единицей
концентрации, А, получим
dFp/dt == 1000/ 0 Ф . Bp<JJp . (2,3E R C R ) == 10001 0 Ф. Bp<JJp . х, (432)
РА/СА BB<JJB BB<JJB
rде х часть света, поrлощенноrо в слое 1 см избытком pe
areHTa R. Теперь подставим значения для неблаrоприятноrо
случая: 10 == 8,6 . 10 8 эйнштейн/(л . с), Ф == 1,0, ЕрСРр == ЕвСРв, х===
==- 0,01. Таким путем находим
dFp/dt == 8,6 . 10 7 моль/(л, с). (433)
F А/С А
Это означает, что в неперемешиваемом растворе флуоресцентный
фон увеличился бы на величину, эквивалентную концентрации А
приблизительно 10 6 моль/л, за каждую секунду освещения ПУЧ-
ком возбуждающеrо света. Даже если бы раствор перемеш вали
и суммарный объем был в 10 раз больше, чем освещаемыи, не-
п ерывно возрастающий фон создавал бы серьезное оrраничение
ч вствительности метода. Такой эффект имеет место, например,
при определении бората бензоиновыlч еТОД01lf (см. Р Щ'
дел У, )1\, 1).
Типичное значение Е составляет 104, а свет, выделенный из ртут-
ной лампы решеточным монохроматором и сфокусированный на
кювете, может иметь площадь поперечноrо сечения 0,5 см 2 И, Сле
довательно, интенсивность 8,6. 1 O 8 эйнштейн/ (с. см 2 ) (см.
табл. 20). В неблаrоприятном случае Ф == 0,1 и, следовательно,
относительная скорость раЗложения будет составлять 0,2 c l,
т. е. интенсивность флуоресценции неперемешиваемоео раствора
будет уменьшаться приблизительно на 20% за одну секунду.
Если бы раствор перемешивали и суммарный объем кюветы пре-
вышал освещаемый объем в 1 О раз, скорость раЗложения все
еще состаВляла бы около 2% в секунду, т. е. была бы достаточ-
ной, чтобы нызвать значительную ошибку за время записи пол
Horc спектра флуоресценции или даже за время еДИНИчноrо от-
счета. Ясно, что для уменьшения ошибки необходимо СНИзить
интенсивность возбуждающеrо света и увеличить чувствитель-
. ность детектора.
408
r ЛАВА V
nРИМЕНЕНИЕ в АНАЛИТИЧЕСКОЙ ХИМИИ
409
r. связь ЛЮМИНЕСЦЕНЦИИ орrДНИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИй
С МОЛЕКУЛЯРНОй СТРУКТУРой
1. Общие правила
Ниже приведен ряд полезных правил, вытекающих из обших
принципов, обсуждавшихся в rл. 1, а также полученных эмпи-
рическим путем:
а) Для возбуждения фотолюминесценции длинами волн,
превышающими 220 нм, требуется наличие системы л элект-
ронов.
б) Увеличение сопряжения сдвиrает самую длинноволновую
полосу поrлощения в сторону больших длин волн. При отсут-
ствии специфических эффектов (например, водородной связи,
элеКтролитической диссоциации) спектр испускания флуоресцен-
ции располаrается непосредственно за длинноволновой частью
спектра поrлощения. Спектр фосфоресценции лежит за длинно-
волновой частью спектра флуоресценции.
в) Высокая эффективность быстрой флуоресценции в жид-
ком растворе обычно наблюдается для тех соединений, у кото-
рых низшее возбужденное синrлетное состояние относится к
л* л-типу. Часто эти соединения имеют также интенсивную
фосфоресценцИl'J в твердых средах.
r) Системы с низшим возбужденным синrлетным состоянием
типа л* n имеют очень небольшие выходы быстрой флуорес
ценции, но высокие выходы фосфоресценции в твердых средах.
д) Соединения с низшим возбужденным синrлетным состоя-
нием типа ал l MorYT иметь высокие выходы и быстрой флуо-
ресценции и фосфоресценции при низкой температуре.
е) Состояния с переносом заряда MorYT при водить к быстрой
флуоресценции (особенно при НИЗI:ОЙ температуре), а также к
фосфоресценции.
ж) Введение в молекулу орта-пара-ориентирующих замести
телей не мешает флуоресценции и может даже увеличивать ее.
Большинство мета-ориентирующих rрупп, за Исключением CN
СIНlжает выход быстрой флуоресценции [329]. . .
з) Увеличение жесткости молекулы повышает выход быстрой
флуоресценции в жидком растворе и блаrоприятствует раЗреше
нию колебательной структуры.
и) Введение з аместителей часто при водит к сдчиrу спектров
в длинноволновую область и смазывает колебательную CTPYK
туру. Этот эффект минимален в случае алкильных rрупп. Мноrие
ЗiJ.местители приводят к новым типам возбужденноrо состояния
(см. пункты «в», «r» И «д»).
к) Введение тяжелых атомов Понижает выход флуорес-
'ЦеНЦНН.
Понятно, что в сложных соединениях действие одноrо пра
вила может быть сведено на нет действием друrоrо. Для некото-
рых правил существует MHoro исключений, поэтому необходимо
подчеркнуть, что применять их следует осторожно. Ниже мы про
иллюстрируем правила примерами и укажем некоторые исклю
чения.
2. Степень сопряжения л-электронов (правила
«а» и «б»)
Правило «а» (необходимость наличия л-электронов для фото-
люминесценции) вытекает в основном из двух фактов. Bo
первых, очень немноrие орrанические соединения, в молекуле
которых нет л электронов, заметно поrлощают выше 220 нм, а
поrлощение света является необходимым условием возникновения
фотолюминесценции. Во-вторых, алифатические соединения, та-
кие, как rалоrенопроизводные, которые действительно поrло
щают в кварцевой УФ-области, обычно претерпевают фотодиссо-
циацию (например, иодистый этил). Мноrие алифатические
соединения, содержащие системы л-электронов (например, альде
rиды, кетоны, кислоты, амиды), имеют низшие возбужденные
синrлетные состояния типа л* n и, соrласно правилу «Р>, лишь
слабо флуоресцируют. Исключение составляет диацетил, но
даже для Hero выход флуоресценции значительно меньше, чем
выход фосфоресценции. Фосфоресценция друrих алифатических
соединений в растворе исследована мало. Мноrие поrлощающие
алифатические соединения, которые содержат электроноакцеп
торные (мета ориентирующие) rруппы (например, нитроrруппы),
по правилу «ж» не должны флуоресцировать. Алкилцианиды
прозрачны в кварцевой ультрафиолетовой области. Поэтому в
алифатическом ряду флуоресценцию следует искатuь среди со-
единений, содержащих систему сопряженных связеи С== С, та-
ких как витамин A 1 , который имеет максимум поrлощения
(в ;таноле) приблизительно при 3,0 MKM 1 И флуоресцирует в
сине-зеленой области (около 2,0 MKM l) [330].
СН з СН З СН З СН З
"'-/ -1 А.. -1 /СН 2 ОН
/
V"'-СНз
Витамин А 1
Влияние длины цепи сопряжения на энерrию низших
возбужденных синrлетноrо и триплетноrо состояний хорошо
410
r ЛАВА V
ПРИМЕlIEНl!Е В АНАЛИТИЧЕС!\ОИ ХИМИИ
411
видно на примере ряда бензол нафталин антрацен нафта-
цен; все эти соединения флуоресцируют.
Бензол (3)
51 3,80 MKM 1
Т, 2,94 MKM 1
Нафталин (5)
51 3,18 MKM 1
ТI 2, 13 MKM 1
Антрацен (7)
51 2,66 MKM 1
Т! 1,47 MKM 1
Нафтацен (9)
51 2, 11 MKM 1
ТI 1,03 MKM 1
()
4 5 изомер В котором все двоЙные связи периферические, СИ.1ЬНО
флуоресщ;рует примерно при 1,9 MKM 1 (см. рис. 186):
N Se
(( l I
7' I yN
::::,..
(XX 7'N"",
::::,.. ::::,.. ::::"'N)e
())
3.4 Бензопиазселенол
8, 2.5 MKM I
4.5 Бензопиазселенол
8, 1.9 MKM l
ССО ""::""::""::
--9 --9 --9
3. Природа низшеzо возбужденноzо синzлетноzо
состояния (правила «в», «с», «д», «е»)
Все незамещенные ароматические уrлеводороды имеют низшие
возбужденные состояния типа л* л и в еrда обладают HeKO
тороЙ (часто интенсивноЙ) флуоресценциеи, а в твердых средах
(ХХХ)
($
По мере Toro как число линеЙно сопряженных (т. е. перифериче-
ских) двоЙных связей увеличивается с 3 до 9 (указано в
скобках), флуоресценция и фосфоресценция сдвиrаются из
ультрафиолетовоЙ области (бензол) к видимой и близкоЙ ин-
фракрасноЙ (нафтацен). Отметим, что триплет синrлетное рас-
щепление в абсолютных единицах остается приблизительно по
стоянным (около 1 ,О MKM I), но заметно увеличивается как доля
от синrлетной энерrии.
у так называемых анrулярных уrлеводородов (в системе co
пряженных двоЙных связеЙ имеются «пересекающиеся» связи)
величины энерrии больше, что виа;но, например, из сравнения
фенантрена с антраценом и бензантрацена с нафтаценом:
сс9
Фенантрен (7)
S.. 2,87 MKM I
Т, 2,16 MKM I
8
( )
ССО "":: "":: ",,::1
--9 --9 --9
1.2 Бензантрацен (9)
8, 2.61 MKM I
Т, 1.65 MKM I
3,6 3,2 2,8 2,4 2,0 3,6 3,2 2,8 2.42,0
ВО.ll новое ЧUС.llО. ,МК.NI- '
Рис. 156. Спектры испускания флуоресценции и фосфоресценции в системе
эфир пентан этанол при 77 к: [203].
а флуорен; б трифенилеН; 8 бензол; 2 дифенил; д фенол; е N феНИЛ 2 нафтилаМ i
ж нафталнн; з спектральная чувствительность прибора. Возбуждеиие при 4,03 !"КМ
248 нм); кварцевый аиализирующий спектрометр с фотоумножителем Е. М. 1. 6256, полу
и ииа полосы 0,019 MKM l при 2,5 MKM l; слева флуоресцеиция, измеренная при син
фаfной установке прерывателей; справа ФосФоресценция, измеренная при антифазной
установке прерывателя.
АнаЛlJrl1чный эффект был обl1а ружеlI ;:1.п51 сеJ1еНо;:1.иаЗОJ10В [327].
Так, если 3,4 бензопиазселенол, в котором одна двойная связь
находится в «пересекающемся» Положении, обладает слабоЙ
.фл !оресценциеЙ приблизитеJIЬНО при 2,5 MKM I (см. рис. 106), то
обычно также и фосфоресценцией (рис. 156). л* п Состояния
имеют соединения, содержащие в кольце reTepoaToMbl или заме-
щающие руппы. Примерам первых может служить пиридин,
412
r ЛАВА V
который не флуоресцирует, в отличие от бензола, обладающеrо
способностью как флуоресцировать, так и фосфоресцировать.
Проиллюстрируем эти правила на примере ряда нафталин хи.
нолин индол (см. также разделы 1, Б, 6 и IV, Е, 3) :
CO
.......0: #
Нафталин
п* 31
Флуоресцирует и
Фосфоресцирует
() l
#"-.1/
N
ХИНОЛИИ
31* n
в иеполярных
растворителях
не флуорес-
ци рует
ПРИМЕНЕНИЕ В АНАЛИТИЧЕСI(Ой ХИМИИ
413
O /'
#"- /
N
Н
вать и фосфоресцировать. У хинолина в полярных растворителях
положения уровней л* л и л* п меняются местами, и, сле.
довательно, в этих условиях хинолин дает испускание флуорес-
ценции. Введение в молекулу пиридина или хинолина активных
замещающих rрупп изменяет природу энерrетических уровней и
может привести к флуоресценции (например, в случае 3-0КСИПИ-
ридина) .
Индол
31. тr:
Флуоресцирует и
фосфоресцирует
::t
:t
H
:.::tI$
"i
",1::1
!:;;g.
'-"
J::
Нафталин имеет низшее возбужденное синrлетное состояние
типа л* л и дает как флуоресценцию, так и фосфоресценцию.
а
d
хзо
в ФОСфОресценцuя 2
Ф уоресцеНЦUJi fi.fOO
х1О0
д
ж
Д.llина во.llНЫ. НМ
Рис. 158. Сравнение фотолюминесценции соединении, образующих СТ. и
n. п-состояния.
J 2 флуоресценция (Х 6) и фосфоресценцня (Х 2) 2.5'10 6 М раствора 4,4'-тетраметил-
д'иаминобензофенона в смеси эфир пентан этанол при 77 1(; 3 Фосфоресценция (Х 1)
2.5'10 6 М беизофенона (не флуоресцирует). Возбуждеиие при 250 нм; ширина полосы
анализирующеrо монохроматора 3,3 нм.
Типичным примером заместителя с низшим уровнем типа
л* п является карбонильная rруппа, ответственная за тот
факт, что незамещенные ароматические альдеrиды, кетоны, кар-
боновые кислоты, сложные эфиры и амиды в твердых средах не
флуоресцируют (или флуоресцируют очень слабо), НО обычно
фосфоресцируют (см. раздел 1, Б, 6 и рис. 157). По мере услож-
нения ароматической системы разность между энерrиями л* л
и л" п-уровней уменьшается, и в конце концов они меняются
местами. Для соединений, занимающих промежуточное положе
ние (например, 3 альдеrид пирена) , природа низшеrо возбужден
Horo состояния зависит от растворителя, причем флуоресценция
увеличивается с повышением полярности растворителя (см. раз
дел IV, Е, 3). Введение BToporo заместителя полностью меняет
природу и расположение возбужденных сост?яний, И,. если вто-
рой заместитель является электронодонорнои rруппои, низшим
возбужденным СОСТоянием часто оказывается СТ-состояние. Оно
3,6 3,2 2,8 2,4 2,0 3,6 3,2 2,8 2,4 2,0
80.llновое чис.llО, M"M l
Рис. 157. Спектры испускания фосфоресценции в системе эфир пентан
этанол при 77 I< [203].
а бензойная кислота; б беизофенон; 8 ацетаНIIЛИД; а бензоин; д 4-ннтро-N-этил-
аиилин; е бензил; ж ацетофенои; з антрахинон; условия см. на рис. 156.
Хинолин В неПОRЯРНЫХ растворителях имеет низшее состояние
типа л* п 11 не флуоресцирует. Виндоле пространственное рас-
положение орбитали неподеленной Пары электронов таково, что
она ока ывается сопряженной в осноВном состоянии с аромати-
ческими л электронами и не может Привести к л* п-переходу.
Поэтому индол имеет низшее возбужденное синrлетное состоя-
ни\,. типа л* л И, подобно нафталину, способен флуоресциро-
414
r ЛАВА V
ПРИМЕнl::НИЕ В АНАлИtИЧЕСI<Ой химии
415
обладает небольшим временем жизни и может вызывать как
флуоресценцию, так и фосфоресценцию (см. раздел 1, Б, 6). Так,
бензофенон при 77 К не флуоресцирует, но сильно фосфоресци-
рует, тоrда как 4,4'-тетраметилдиаминобензофенон в этих же
условиях дает как флуоресценцию, так и фосфоресценцию
(рис. 158).
Заместителями с неподеленной парой электронов, которая не
способна приводить к истинным л* n состояниям (Каша отно-
сит их к типу ал 1; см. раздел 1, Б, 6), являются электронодо
норные rруппы. Они часто вызывают как флуоресценцию, так и
фосфоресценцию. Например, большинство фенолов и аромати
ческих аминов флуоресцирует в жидком растворе. Эти rруппы
сводят на нет действие л* n-заместителей, упомянутых в пре
дыдущем абзаце. Нефлуоресцирующие л* n-rетеРОЦИкличе-
ские соединения при введении подобных заместителей также
становятся флуоресцирующими; примером может служить окси-
пиридин.
чем л* Л-, хотя причина этоrо не ясна. Следует отметить и не-
которые друrие ИСКлючения из этоrо правила. Так, фенолят-ион,
соrласно данным Уильямса t329], не флуоресцирует, хотя иони
зованная фенольная rруппа является орто-nара-ориентантом.
В свете этоrо факта можно понять различия между фенолом и
анизолом:
ОН
О
O
()
6"'
Флуоресцирует
(в нейтральном
растворе)
Не флуоресцирует
(в щелочном
растворе)
Флуоресцирует в
нейтральном и
щелочном растворах
4. Классификация заместителей (правило «ж»)
С друrой стороны, -нафтолят ион флуоресцирует (см. раз-
дел IV, В). Приведем еще один пример. Хотя NН+ з является
мета-ориентирующей rруппой и в соответствии с этим хлорrидрат
анилина, как известно, не флуоресцирует [329], хлорrидрат
нафтиламина обладает флуоресценцией (см. раздел IV, В). Неко-
торые из этих несоответствий можно объяснить тем, что по мере
увеличения размера ароматической или rетероциклической си
стемы влияние мета-ориентирующих rрупп ослабевает. Напри-
мер, флуоресцирующими являются некоторые производные нит-
ростильбена в жидком растворе. Так, Липперт и сотр. [163] в
качестве соединения, используемоrо как стандарт для коррек-
ции спектров испускания флуоресценции, рекомендовали 4 ди-
ме1'иламино-4' - нитростильбен
Обширные исследования по влиянию заместителей на быст
рую флуоресценцию ароматических и rетероциклических соеди
нений в жидком растворе проведены Уильямсом и сотр. [329, 331,
332]. Они нашли, что обычно орта-пара-ориентирующие замести
тели имеют тенденцию увеличивать флуоресценцию, а Аtета-ори
ентанты мешают ей; если же в соединении наряду с мета-ориен
тантом содержатся орто-nара-ориентанты, то флуоресценция BOC
станавливается. Целый ряд примеров подчинения этим правилам
можно объяснить на основе общих положений, рассмотренных в
предыдущем разделе. Так, л* n i'руппы (карбонильная, слож-
ноэфирная, карбоксильная) ЯВляются мета-ориентантами, а
ал l rруппы ориентируют в OpTO и пара-положения:
СНЭ .
)N CH==CH N02
СНз
CH O
NH2
Вероятно, ero флуоресценция обусловлена (по крайней Мере, ОТ-
части) присутствием аминоrруппы, так как более простое соеди
нение м-нитродиметиланилин тоже флуоресцирует [163].
Правила, приведенные в разделе У, r, 1, мы, ectecTBeHHo,
должны дополнить влиянием внутри и межмолекулярной водо-
родных связей и элеКтролитической диссоциации в основном и
возбужденном состояниях, в общих чертах уже обсуждавшимся
в rл. IV. Используя это влияние, мы можем выявить различия
между соединениями, которые в одинаКОВI>IХ условиях дают оди-
наковые спектры. Например, M и n-оксибензойные кислоты в OT
личие от о-оксибензойной кислоты (внутренняя водородная
связь) не флуоресцируют в интервале рН от 3 до 10, тоrда как
при рН 14 все три кислоты, как известно, флуоресцируют [332].
Основное состояние,
.мета ориентирующа",
rруппа
Возбужденное состояние
31* n
не флуоресцирует
Основное СОсТояние
OPTo п ара ориеИТИРующая
rруПпа
Возбужденное состоянне
ал l
Флуоресцирует
Исключением из правила Уильямса является мета-ориенти-
рующая CN-rРУПП.1: ароматические соединения, содержащие в
кольце цианоrруппу, часто флуоресцируют. По-видимому, в этих
Соединениях л* п-состояние обладает более ВысоКой энерrией,
416
t ЛАВА V
пРИМЕНЕНИf:; в АНАЛИТИЧЕС1(Ой ХИМИИ
411
5. Положение и резкость колебательной структуры
спектров испускания флуоресценции (правила
«з» и «и»)
Часто отмечается, что увеличение жесткости молекулы повы-
шает эффективность флуоресценции в жидком растворе. Наи-
более ч сто сра нивают фенолфталеин с флуоресцеином и мала-
хитовыи зеленыи с родамином Б:
O о
) (
ЛС
&СО;
ФеНО.1фталеин
(не флуоресцирует)
+
R2N (NR2
c)
О
Малахитовый зелеНЫЙ
(не флуоресцирует)
O о
y x o......... (
# c) '
&СО;
'i
cu
!
i3
8-
1
"
.. I '.
'\ 11/4
"./ t'
\
\
\
\
\
,
\
\
\
\
\
1
\
1
\
\
Флуоресцеин
(флуоресцирует)
...
5
g
u
Е
.1,8 3,6
+
R2N yy O.........("(NR2
c),,
&СО'Н
5 6
,/
11
l'
II
, I
, I
, \
,
,
I
, ,
\
\
\
\
\
\
\
1
\
\
\
\
\
\
\
\
\
\
\
\
\
\
Рис. 159. Влияние жесткости молекулы и замещения на разрешение коле-
бательной структуры в спектрах испускания флуоресценции в этаноле при
комнатной TeMI,IepaType.
1. 2 бензол и толуол; 8, 4 флуорен идифенил; 5, 6 2,3.бензфлуорен и фенилнафталин;
7, 8 3,4.бензкарбазол и феиил-2-нафтиламин.
лучше (кривые а и е на рис. 156). Часто присутствие «активньi'i»
заместителей почти полностью лишает спектр колебательной
структуры и сдвиrает ero в область более длинных волн; приме.
рами MorYT служить фенол и анилин по сравнению с бензолом
или метоксинафталин по сравнению с незамещенным нафтали-
ном.
Родамин Б
(флуоресцирует)
Вероятно, критерием является не столько жесткость молекулы,
сколько копланарность колец, которая допускает взаимодействие
отдельных систем элерронов. Таким образом, хотя введение в
качестве заместителя rибкой насыщенной боковой цепи увели-
чивает число колебательных и вращательных степеней свободы,
оно не мешает флуоресценции (так, этилбензол флуоресцирует
сильнее, чем бензол). Однако обычно такое замещение YMeHЬ
11IaeT разрешение колебательной структуры в спектре флуорес
ценции, что видно, например, из сравнения спектров бензола и
толуола (рис. 159). Подобным же образом увеличение жесткости
в результате образования дополнительной системы колец часто
повышает колебательное разрешение (ср. фенилнафталин с бенз
флуореном или фенил р-нафтиламин с бензкарбазолом на
рис. 158). Удивительно, что спектр флуорепа разрешен не луч-
ше, чем дифенила, в жидком растворе при комнатной темпера-
туре (см. рис. 159), хотя в твердой фазе ero спектр разрешен
6. Замещение тяжелыми дтомами (правило «1С»)
Замещение тяжелыми атомами увеличивает скорость интер.
комбинационной конверсии 81 Т 1 блаrодаря спин орбитальному
взаимодействию и, следовательно, уменьшает эффективность
флуоресценции. Так, несмотря на то что хлор ориентирует в орТО-
пара-положения, хлорбензол флуоресцирует rораздо хуже, чем
бензол; соединения с более тяжелыми атомами бром- и иод
бензолы практически не флуоресцируют [329]. Аналоrично эф-
фективности флуоресценции флуоресцеина, тетрабромфлуорес-
цеина (эозина) и тетраиодфлуоресцеина (эритрозина), в водном
растворе составляют соответственно 0,85, 0,22 и 0,02.
14 3ак.. 1281
418
t ЛАВА V
ПРИМЕНЕНИЕ В АНАЛИТИЧЕСКОй ХИМИИ
419
Д. АНАЛИЗ орrАНИЧFСКИХ ВЕЩЕСТВ
1. Критерии чистоты
Сначала п?вторим еще раз некоторые практические правила
аналитическои фотолюминесuенuии, которые были выведены из
основных механизмов, обсужденных в rл. 1 (см. также раз-
дел У, r, 1):
а) Флуоресценция всеrда испускается из caMoro нижнеrо
возбужденноrо CIJHr летноrо состояния (eiLIII!CTBCHlIoe известное
исключение азулен и ero производные).
б) Фосфоресценция всеrда испускается из caMoro нюкнеrо
триплетноrо состояния (исключения неизвестны).
в) Спектры испускания флуоресценции и фосфоресценции
чистоrо вещества не зависят от длины волны возбуждения (иск-
лючения неизвестны).
r) Исправленные спектры возбуждения флуоресценции и
фосфоресценции близки или даже идентичны спектру поrлоще-
ния (это справедливо для всех веществ, кроме тех, которые в
области очень коротких длин ВОЛН способны к внутримолекуляр
ному переносу энерrии или разложению).
д) олоса испускания u флуоресценции лежит в непосред
С.веннои .близ сти к самои длинноволновой полосе поrлощения
(со стороны больших длин волн) (имеется MHoro исключений).
е) Полоса фосфоресценции лежит при больших длинах волн,
чем полоса флуоресцеНЦИiI (исключения неизвестны).
Все эти правила (за исключением «д») можно использовать
в качестве cTpororo способа опреДЕ:ления чистоты флуоресци
РУI?щеrо или фосфоресцирующеrо соединения, будь то CTaHдapT
НIJ И образец или фракция, выделенная из смеси в ходе анализа.
Конечно, правила справедливы только для разбавленных pac
творов, в которых эффекты BHYTpeHHero фильтра незначительны.
Таким образом, если известно, что вещество дает испускание
флуоресценции с максимумом при более коротких длинах волн,
чем ero длинноволновая полоса поrлощения, можно констати
ровать присутствие примесей (правило «а»). Аналоrично, если
испускание фосфоресценции наблюдается при более коротких
длинах волн, чем испускание флуоресценции, то это rоворит о на-
личии нескольких веществ (правила «б», «е»). Часто возникает
проблема, связанная с наличием очс;нь слабоrо «хвоста» в длин
НОВОЛНОF30Й оБJU1СТИ поrлощения. Иноrда это вызвано малоин
тенсивным переходом, но часто следами примесей,И решить, что
именно является причиной, можно, измерив спектр возбуждения
(флуоресценции или фосфоресценции). Если «хвост» обусловлен
ilримесями, спектр возбуждения будет ниже, чем спектр поrло
щения в этой области (правило «р»). Может случиться, что при
в,'ех длинах волн поrлощение примесей будет меньше поrлоще
ния rлавноrо компонента и, следовательно, в пределах ошибки
опЫта правило «r» будет выполняться. Если, однако, примесь
флуоресцирует или фосроресцирует, присутствие ее обнаружит-
ся по появлению второи полосЫ испускания, относительная ин
тенсивность которой будет меняться с изменением длины волнЫ
возбуждения (правило «в»).
Эти правила следует применять осторожно, имея в виду, что
несоответствие может быть вызвано либо примесями, либо тем,
что вещество в растворе может существовать в двух формах.
Наиболее типичным примером последнеrо может служить иони-
зация с образованием кислой и ОСНОВНОЙ форм, каждая из ко-
торых имеет свои собственные спектры поrлощения и испуска
ния. Такие формы можно получить, если проводить измерение
в достаточно кислом или щелочном растворах (см. раздел IV, В).
Кроме Toro, вещество, например циc и транс стильбены, может
изомеризоваться в растворе. В cTporoM смысле такое соедине-
ние уж не является чистым. Зная структуру исследуемоrо Be
щества, такие случаи можно предвидеть.
Исключения из правила «д» необходимо рассмотреть особо.
Полоса испускания флуоресценции может лежать в области
длин волн больше самой длинноволновой полосЫ поr лощения.
Это может быть вызвано наличием флуоресцирующих примесей
в нефлуоресцирующем соединении, однако часто такие большие
стоксовы сдвиrи обусловлены водородной связью или друrими
эффектами растворителя (см. раздел IV, Е). Такие вещества,
однако, будут подчиняться и друrим правилам при условии, что
они существуют в растворе только в одной форме. Электролити
ческая диссоциация в возбужденном состоянии (раздел IV, В)
также может приводить к большим стоксовым сдвиrам. Так,
рН раствора, содержащеrо орrаническую кислоту (например,
нафтол), можно довести до TaKoro значения, при котором, как
это видно из спектра поrлощения, существует только кислая
форма. Однако спектр испускания, все еще обусловленный ос-
новной формой, может ПОЯВЛЯТЬСЯ при значительно больших
длинах волн, чем спектр поrлощения, или же он может содер-
жать полосы, обусловленные обеими формами. Чтобы избежать
этоrо, следует работать при достаточно высоком (или достаточ
но низком) рН, так чтобы диссоциация в возбужденном состоя
нии была незначительна. Появление новых полос испускания,
вызванных образованием возбужденноrо димера, обычно не слу-
жит препятствием при измерении быстрой флуоресценции для
аналитических целей, так как ero проводят обычно при низких
концентрациях, поэтому образование димера незначительно. Oд
нако этим фактом не следует пренебреrать при измерении долrо
живущих спектров испускания в жидком растворе (их аналити
чес кое при енение рассмотрено в разделе У, Д, 4).
14*
420
r ЛАВА V
ПРИМЕНЕНИЕ В АНАЛИТИЧЕСI<Ой ХИМИИ
421
Неожиданное появление полос испускания, наблюдаемое в
стеклообразных растворителях при низкой температуре, следует
подверrнуть тщательному изучению, чтобы убедиться, что они
не вызваны кристаллизацией части pacTBopeHHoro вещества в
проце се охлаждения. Присутствие растворенной и кристалли-
ческой форм эквивалентно присутствию двух различных ве-
ществ, так как, вообще rоворя, кристаллы иМеют специфические
спектры флуоресценции и фосфоресценции. Для кристаллов He
которых соединений особенно ха.рактерно быстрое и (или) за-
медленное испускание возбужденноrо димера, который ошибочно
может быть принят за примесь.
цен в этой области тоже возбуждается, можно найти такуЮ
длину волны в пределах спектра испускания фенантрена (ска-
жем, 350 нм), при которой антрацен не испускает (см. рис. 153,
кривая К). Подобно этому, коrда флуорен возбуждают более
короткой длиной волны, ero флуоресценцию все еще можно из
мерить, например, при 315 нм, [де ни фенантрен, ни антрацен
не испускают (см. рис. 153, кривая Д). Этот принцип применим
к большому числу смесей. Необходимо отметить, что спектр ис-
пускания, не искаженнЫй друrими соединениями, можно полу-
чить только для компонента, поrлощающеrо при самой большой
длине волны. Так, Савицкий и сотр. [334] измерили спектр ис-
пускания перилена, возбуждаемоrо при 430 нм, в присутствии
25 друrих ароматических уrлеводородов. Тщательно подбирая
длину волны возбуждения, можно получить почти неискажен
ным также и спектр друrоrо компонента, поrлощающеrо при
более короткой длине волны. Примером служит смесь бенз (а)-
пирена и перилена, которую трудно разделить хроматоrрафи-.
чески. При 295 нм перилен поrлощает слабее бенз (а) -пирена,
и при возбуждении этой длиной волны для бенз, (а) -пирена, на-
ходящеrося в смеси с равным количеством перилена, можно
получить по существу неискаженный спектр испускания [334].
Если смесь такова, что для нее нельзя найти подходящую длину
волны возбуждения, то можно варьировать рН раствора или
подверrНУТЬ смесь такой химической обработке, чтобы превра-
тить определяемое вещество в соединение со спектром по!'ло-
щения, сдвинутым к б6льшим длинам волн, т. е. в область, [д
друrие компоненты не мешают. Например, в концентрированнои
серной кислоте длинноволновый предел возбуждения бенз- (а).
пирена сдвиrается от '" 400 к 520 нм с испусканием при 546 нм.
Таким способом ero можно определить в присутствии 50 друrих
ароматических уrлеводородов [334].
В этом и следующем разделах мы подробно останавливаемся
на анализе смесей незамещенных ароматических и rетероцикли-
ческих соединений. Это объясняется тем, что их спектры поrло
щения и испускания очень характерны и дают наrлядные при
меры возможностей фотолюминесцентноrо метода. Применение
тех же принципов возможно и В друrих случаях, рассматривае:
мых в последующих разделах, коrда спектры мноrих соединении
rораздо менее характерны. Если спектр испускания состоит из
единственной широкой полосы, надежность идентификации мож-
но значительно повысить измерением спектра возбуждения.
Б6льшая специфичность последнеrо объясняется тем, что c eKT-
ры поrлощения флуоресцирующих орrанических соединену!и ча:
сто содержат по меньшей мере два максимума. Исправленныи
спектр возбуждения фактически дает способ измерения спектра
цоrлощения щоминесцирующеrо соединения в присутстВlЩ
2. Прямые методы ан.ализа смесей
по флуоресценции
Описанные выше способы определения чистоты по сути дела,
являются методами анализа смесей, в которых КОНllентрация
одноrо компонента значительно превышает концентрацию дру_
rих. Чтобы разработать методы анализа смесей, содержащих
один или несколько rлавных компонентов, можно применить
определенные практические правила. Сначала измеряют спект-
ры поrлощения и испускания флуоресценции и (или) фосфорес-
ценции чистых компонентов. Если спектр испускания флуорес-
ценции или фосфоресценции одноrо компонента отличается от
соответствующих спектров испускания друrих компонентов, оче-
видно, в анализе этоrо соединения трудностей не будет. Если же
спектры испускания перекрываются, тоrда по спектрам поrло-
щения надо определить оптимальные длины волн для возбужде-
ния каждоrо компонента (с учетом спектров поrлощения др у-
rих). Таким образом, часто можно получить достаточно чистЫе
спектры испускания возбуждением при соответствующих макси
мумах поrлощения, хотя возбуждение до некоторой степени MO
жет сказываться и на друrих компонентах.
Рассмотрим сначала при мер трехкомпонентной смеси, KOTO
рую леrко проанализиrовать, например смесь флуорена, фенан
трена и антрацена, ппервые исследованную Томмсом и Лейнин-
[ером [333]. В разделе V, В, 5 был обсужден случай, коrда флуо-
рен и антрацен содержатся в смеси в очень небольших KOHцeH
трациях. Из обсуждения СJIедует, ч,о если псе три компонента
присутствуют в качестве r лавных составных частей, их отдель-
ное прямое определение не составляет проблемы. Это вытекает
из ТЩО такта, что они имеют четко выраженные длинноволно .
вые ПрЕ..делы поrлощения. Так, антрацен можно возбудить при
длине волны (например, 366 нм), не поrлощаемой двумя дpy
rими соединениями. Фенантрен можно возбудить длиной волны
(i.апример, 313 нм), не поrJ\ощаемой флуореном, и, хотя aHTpa
422
r ЛАВА V
ПРИМЕНЕНИЕ В АНАлиtИЧЕСI(ОП химии
423
больших количеств друrих поrлощающих веществ (раздел 1, Б,
4). Это было отмечено Паркером и Барнсом [131] еще в 1957 r.;
здесь приведены два примера, взятые из этой работы: опреде
ление антиоксидантов a и -фенилнафтиламинов в вулканизо
ванном каучуке. Эти соединения дают интенсивные полосы
флуоресценции с максимумами при 2,34 и 2,42 MKM l (427 и
413 нм) (рис. 160, кривые А и В), и их можно непосредственно
наблюдать при возбуждении разбавленноrо экстракта резины
не поrлощает в области короче 313 нм и, следовательно, при
возбуждении этой длиной волны не должен давать ни флуорес
rreнции, ни фосфоресценции. Спектр фосфор;сценции вещества,
не разделенноrо на зоны, представлял собои сложную систему
полос (кривая А на рис. 161), пять из которых соответствовали
\ ...,
, " \
\ , \
\
\
, ...
,, ....""
в
r
"
, ,
, I I
\ ,--' I I
, , , J
\." \.,.,
А
''" \\ f\ Б
" ....
... / ,
\
,
\
"
4,0 3,5 3,0 2,5 2,0 4,0 3,5 3,0 2,5 2,0
ВО.JIновое чиС.1l0. oМ"M t
Рис. 160. Анализ сложных смесей [131].
спектры испускания флуоресценции: спектры поrлощения; Оприближеиные
исправленные спектры возбуждения флуоресценции; А чистый N.фенил.а'нафтиламин;
Б экстракт каучука, содержаший N-фенил-а'нафтиламин; В чистый N-фенил-j3-нафтил-
амин: r зкстракт каучука. содержащий N.фенил.j3-нафтиламин. .
,....
о;
c:t
:z:
t
::s
::s
::r
iI:
::s
.о
Е:
t.I
с)
:z:
со
'1>
Е:
С ПОАОСЫ
ttttH
Б
и по.llОСЫ
, ,
+
А
Д,llина вО.JIIlЫ, 11М
Рис. 161. Флуоресценция и фосфоресценция примесей в образцах флуо-
рена [210].
Возбуждение при 77 1( в этаноле линией 313 нм, выделениой двойным монохроматором;
спектры фосфоресценции (кривые справа) сняты при чувствительности в lg раз большей,
чем спектры флуоресценции (кривые слева); А образцы флуорена (3.\0 М), исходиы
материал; Б образцы из области на расстоянии 4 см 6Bepxa колонки для зонной плавки,
В только карбазол (4.\0 М).
(рис. 160, кривые Б и п. Принадлежность спектров флуорес
ценции указанным соединениям можно подтвердить, измеряя
соответствующие спектры возбуждения, которые очень похожи
на спектры поrлощения (с помощью более современных прибо
ров найдено, что они почти идентичны спектрам поrлощения).
Напротив, результаты непосредственноrо измерения поrлощения
экстрактов резины недостаточны для идентификации антиокси
дантов, так как поrлощение последних маскируется СИ-ЛьнЫм по-
rлощением смолы и друrих составных частей резины.
по длине волны пяти полосам из шести (с-полосы на рис. 161)
в спектре фосфоресценции карбазола (кривая В). В спектрах
образцов, взятых из верхних зон, эти полосы были rораздо бо'
лее интенсивными, тоrда как спектрЫ образцов из нижних зон
практически не содержали полос карбазола (кривые А, Б и В
на рис. 162). Очевидно, что карбазол накапливается в верхних
зонах и может быть полностью отделен от флуорена. Наидено,
что концентрация карбазола в образцах флуорена составляла
30 ч. на миллион (кривая А на рис. 161), 190 ч. на миллион
(кривая Б на рис. 161) и менее 2 ч. на миллион (кривые А, Б,
3. Прямые МеТоды анализа смесей
по фосфоресценции
Часто в тех случаях, коrда измерение флуоресценции не дает
отнета о составе смеси, ее можно проанализировать с помощью
фосфоресценции. Рассмотрим сначала анализ образцов флуо
рен"!, очищенных методом зонной плавки [210]. Чистый флуореI-l
424
t ЛАВА V
ПРИМЕНЕНИЕ В АНАЛИТИЧЕСКОй ХИМИИ
425
и В на рис. 162). Если увеличить или концентрацию флуорена,
или интенсивность возбуждающеrо света, или чувствительность
реrистрирующей системы, то можно обнаружить и более низкие
концентрации карбазола. Отметим, что для получения возбу-
ждающеrо света, достаточно чистоrо для Toro, чтобы избежать
возбуждения caMoro флуорена, пришлось использовать двойной
также и фосфоресценцию флуорена. Помех, вызванных присут
ствием флуорена, им удалось избежать путем измерения корот-
коволновой полосы испускания дибензофурана, которая появ-
ляется при более короткой длине волны, чем фосфор-есценция
флуорена. Канда и сотрудники наблюдали О О полосу дибензо
фурана при ero концентрации 10 6 М.
......
01
I:!
cu
I:!
::r
,
'"
Е
1.>
О
:t:
Q)
::s
1.>
:t:
с\>
Е
U ПОАОСЫ
t t
t
"""'
01
\3
:t:
:t:
cu
cu
::r
:t:
с::.
's-
...
g
'g
1.>
Е
р
СН ПОАОСЫ
t f t
'f 't'
ВР По.llОСЫ
в
С ПОАОСЫ
, t f .j, Н
в
t
У ПОJfОС 1
t t
А
350
400 450
1\
"
'1
'1
, I
'1
500
ДАUНа БО.llНЫ, НОМ
Рис. 162. Флуоресценция и фосфоресценция примесей в образцах флуо-
рена [210}.
Возбуждение при 77 к: в эта иоле лиНией 313 нм. выделенной двойиым моиохроматором;
спектры фосфоресценцин (кривые справа) сняТы прн чувствительности в 410 раз большей,
чем спектры флуоресценции (кривые слева); А, В. В флуорен (3.10 2 М) из областей.
расположенных на расстоянии соответственно 15, 30 и 45 см оТ верха колонки для зонной
плавки; r j3-метилнафталин (10 3 М).
550 650 700
ДАина eO.lHbI, нм
Рис. 163. Фосфоресцирующие примеси в бенз-(а) пирене [210}.
Возбуждеиие бенз-(а)-nирена (IO 4 М) в этаноле при 77 К линией 313 нм; A иеобрабо-
танный материал; В, В образцы из области на расстоянии 4 и 0,5 см от верха колонки
для зонной плавки.
монохроматор. Отметим также, что быстрая флуоресценция кар-
базола в исходном образце маскируется флуоресценцией второй
примеси И поэтому не может быть использована для ero обна
ружения. Быстрой флуоресценции второй примеси сопутствова
ли полосы фосфоресценции, обозначенные на рис. 161 и 162 как
U полосы. Эта примесь концентрировалась в нижних зонах, пол
ностью удалялась повторной зонной Очисткой верхних зон и
оказалась, по видимому, производным нафталина. Канда и
сотр. [335] определили содержание дибензофурана в продажном
флуорене с помощью фотоrрафической записи спектра фосфо
реt.ценции, возбуждаемой длинами БОЛН, которые возбуждают
Несколько иной принцип был использован для обнаружения
следов примесей при зонной очистке бенз- (а) пирена [21 О]. Это
соединение поrлощает при всех длинах волн короче 405 нм и
испускает интенсивную флуоресценцию в области 400 500 нм.
Таким образом, по флуоресценции в нем можно обнаружить
только те примеси, которые поrлощают при длинах волн больше
405 нм или испускают при длинах волн меньше 400 нм. Фосфо-
ресценция бенз (а) пирена (ВР полосы на рис. 163 и 164) ис-
пускается в красной и близкой инфракрасной областях, и, сле
довательно, вся спектральная область до 680 нм свободна для
наблюдения фосфоресценции примесей. Поэтому в данном слу
чае изме ения фосфоресценции очеНь эффективны. Более Toro,
ВР ПО.l/ОСЫ
t t t .,
ПРИМЕНЕНИЕ в АНАЛИТИЧЕСКОй ХИМИИ
427
фосфоресценция caMoro беl!З (а) пирена может быть использо-
вана в качестве BHYTpeHHero стандарта. Так, бенз (а) пирен
(10 4 М) В замороженном растворе при толщине слоя 2 мм по
rлощал около 15% света при 313 нм и 65% при 366 нм, поэтому
ero поr лощение не препятству
ет возбуждению примесей.
Перекристаллизованный, но не
подверrнутый зонной очистке,
продукт дал разные спектры
с двумя длинами волн возбуж-
дения (кривые А на рис. 163
и 164), что указывает на при
сутствие нескольких фосфорес-
цирующих примесей. Одна си
стема полос (У полосы на
рис. 163 и 164) присутствова
ла в обоих спектрах, и coдep
жание ответственной за них
примеси при зонной очистке
быстро уменьшалось по Ha
правлению к нижней части KO
лонки (ср. кривые А и Б на
рис. 163 и 164). Некоторые сое-
динения, ответственные за ос-
тальные полосы (рис. 163),
выделялись в нижней части ко-
лонки и удалялись. Одна rруп-
па полос, которая упорно про-
являлась во всех частяХ ко-
лонки, была обусловлена нали-
чием хризена (СН полосы на
рис. 163). Методом CTaHдapT
ных добавок было определено,
что содержание хризена со-
ставляет не менее 0,03 % даже
после MHoroKpaTHbIx разделе
ний на зоны (до нескольких
сотен). Мюэль и Юбер Абар [336] использовали подобный ме-
тод, чтобы проследить за очисткой образца бенз (а) пирена,
который они приrотовили для измерения ero полноrа спектра
испускания фосфоресценции.
В качестве следующеrо примера анализа смесей приведем
работу Цандера [337], который исследовал применение фотолю
минесцентноrо анализа в химии каменноуrольной смолы [338
341]. Пирен фосфоресцирует хуже, чем некоторые из ero приме-
сей, что создает блаrоприятные условия для изучения ero
::s
::s
::r
:z:
::1'",....,
II\
8-
-э.'"
\I
...
Et.>
:)C
()
3.
::
\;)
:z:
у- ПО.l/ОСЫ
t t t t 1
"
11
А
А
Б
500 550 БОО 750
мина вO HЫ, НМ
Рис. 164. Фосфоресцирующие примеси в бенз,(а)-пирене [210J.
Возбуждение беI з (а).пирена (10 4 М) в этаИО.1е при 77 К светом 366 им; А необрабо,
танный материал, Б образцы из области иа расстоянии 4 см от верха КОлонки nJIЯ зон
ной плавки.
545нм
520нм
i
&
\ /,
"1
" "
470.нм
2
00
'"
<о
i1
i)
Е
I
" 1/
. ,,1
6
550 600
Д'!/ина во,!/ны, Н.IИ
Рис. 165. Идентификация примессй в техническом пирене [337].
1, 8. 5 спектры фосфоресценции техниче,СКО"О пире на в смеси эфир пеитаи 'танол
ПРI. 77 К; возбуждение светом 360, 290 и 340 нм; 2, 4, 6 чистые образцы флуорюпеНq
t:iе/що.rЬ]-нафто-Р ,2 dj-ФураЩl и беН 0 [ЬJ нафТО-[2,3 dj-фураНа. '
4631/М
1
'"
Е
u
о
'"
\1)
::::
u
:t
<u
Е:
:t
:!::
z
450
500
Д,!/ина во.l/НЫ,НМ
Рис. 166. Определение трифенилена
ВО фракциях смолы по фосфоресцен
ции при 77 К в смеси эфир пен-
тан этанол [337].
1 фракцня смолы, содержащая трифени-
. лен; 2 чистый трифеНИJIен.
428
rЛАВА v
ПРИМЕНЕНИЕ В АНАЛИТИЧЕСкОй ХИМИИ
429
с помощЬ/о фосфоресцентноrо анализа. Обнаружение трех rлав
ных примесей в техническом пирене иллюстрирует рис. 165. Воз
буждение при 360 нм (в пределах сильной полосы поrлощения
флуорантена) дало почти неискаженный спектр фосфоресценции
этой примеси (кривая 1), а правильность идентификации была
подтвержден.а измерением времени жизни фосфоресценции. Воз-
буждение при 290 нм дало друrой спектр (кривая 3), в котором
две rлавные полосы соответствуют полосам бензо [Ь] нафто-
[1 ,2 d] фурана (кривая 4). Наконец, возбуждение при 340 нм
привело к третьему спектру фосфоресценции (кривая 5), одна
часть которorо обусловлена флуорантеном, а друrая (KopOTKO
волновая) была приписана бензо [Ь] нафто [2,З,d] фурану. Цан-
дер отметил также, что метод измерения фосфоресценции яв
ляется идеальным для обнаружения карбазола и фенантрена в
антрацене (нефосфоресцирующем) , и дал калибровочные кри-
вые для интервала от 0,1 до 2 %. Кроме Toro, он показал, что
измерение фосфоресценции является простым и надежным пря-
мым методом определения сильно фосфоресцирующеrо трифе-
нилена в ПРИСУТСТRИИ нескольких различных 5 циклических co
единений во фракциях каменноуrольной смолы, содержащих 2%
этоrо вещества (рис. 166). Для идентификации и определения
Цандер использовал интенсивный максимум испускания три-
фенилена в области 463 нм. Возбуждение проводилось в макси
муме поrлощения трифенилена при 258 нм. При концентрациях
ниже 10 5 М удавалось избеrать эффекта BHYTpeHHero фильтра,
обусловленноrо присутствием друrих компонентов. Хотя фрак-
ции смолы содержат MHoro друrих фосфоресцирующих соедине-
ний, В' области 463 ЕМ нй один из этих спектров не создавал
серьезных помех.
за которым следует либо самотушение триплетов
ЗА + ЗА lА* + lА,
. (435)
либо перекрестное тушение триплетов
ЗА + ЗD lА* + lЬ.
( 436)
КаждЫЙ из этих процессов приводит к заселению синrлетноrо
уровня акцептора и, следовательно, к испусканию им :енсиби
лизованной замедленной флуоресценции. Перекрестныи Mexa
низм преобладает при низких концентрациях акцептора и по
этому представляет наибольший интерес с точки зрения анализа
малых количеств. Уравнение для квантовой эффективности было
выведено в разделе 11, r, 5, а здесь мы приведем ero для удоб
ства изложения
8 == Р ePDA! аЧ! А" А (kсЧ!f"t" D)2 [А].
( 437)
4. Прямые методы анализа смесей
по сенсибилизованной замедленной флуоресценции
Хотя для анализа смесей можно иноrда разработать прямые
спектрофлуориметрические или спектрофосфориметрические ме-
тоды, их применение является далеко не универсальным. В свя-
зи с затруднениями, связанными с процессом выделения (BЫCO
кий фон peareHTa, случайные заrрязнения и потеря вещества),
стоит рассмотреть любые друrие методы, с пОМощью которых
можно различить компоненты смесей родственных орrанических
соединеНИЙ. Здесь мы обсудим возможности сенсибилизованной
замедленной флуоресценции. Испускание сенсибилизованной
замедленной флуоресценции (см. раздел II, r, 5) может проис
ходить по двум механизмам, первая стадия которых предпола-
[ает перенос энерrии от триплета донора к синrлету акцептора
ЗD + lA lD + ЗА, (434)
Отметим, что для низких концентраций акцептора (таких, что
тушение триплетноrо уровня донора происходит лишь в незна
чительной степени) "t"D приблизительно постоянно. В этом случае
выход сенсибилизованной замедленной флуоресценции прямо
пропорционален концентрации акцептора [А] и не зависит от
друrих акцепторов при условии, что концентрации последних
также невелики. Подставим теперь в уравнение (437) некоторые
типичные значения параметров. Так, пусть вероятности Ре и PDA
будут равны единице, ""СА == "t"D == 5 M , kc (этанол) == Oь5
.1010 л/(моль,с) при 22 0 С,!а == 5.10 6 эинштеин/(л,с), Ч!t
== О, 1 и Ч! А == 0,5. При концентрации акцептора 10 B М выход erO
"
сенсибилизованной замедленной флуоресценции 8А составляет
10 3, т. е. находится в пределах возможностей измерен я на в хо-
рошем спектрофосфориметре. Далее, для концентрации 10 М
и ниже величина 8 приблизительно пропорциональна [А]'и все
присутствующие .в системе акr:епторы буду испускать спектры
собственной сенсибилизованнои замедленнои флуоресц нции He
зависимо от присутствия друrих. Конечно, при высокои KOHцeH
трации одноrо из акцепторов он будет тушить все триплеты до-
нора и, следовательно, сенсибилизованная замедленная флуорес-
ценция друrих присутствующих в смеси акцепторов ( rораздо
более низкой концентрацией) не проявится. При 75 С в эта-
ноле положение даже более блаrоприятно, так как, хотя kc
уменьшается приблизительно в 20 раз (см. рис. 24), для мноrих
соединений времена жизни триплетов увеличиваются в 10
20 раз, и часто 8/ для данной концентрации акцептора" будет
приблизительно в 10 20 раз больше, чем при комнатнои TeM
пературе.
430
r ЛАВА V
. ,
ПРИМЕНЕНИЕ В АНАЛИIИЧЕСКОИ ХИМИИ
431
Наблюдение такой сеНСllбllJIIIзованной заыедлеНI!ОЙ флуорес-
ценции особенно ценно в качестве критерия чистоты ароматиче-
ских уrлеВОДОРОДОБ, имеющих относительно высокие триплетные
уровни [111 125]. Методика состоит просто в измерении спектра
замедленнои флуоресценции откачанноrо и довольно концентри-
pOBaHHoro раствора образца с использованием высокой интен-
сивности возбуждающеrо света, поrлощаемоrо основным компо
'oi'
!:s
.
!:s
.....
450
Д.llина во.llНЫ, н.м
Рис. 167. Замедленнэя флуоресценция бенз-(а)-пирена 11 пирена, сенсибили-
зов анна я фенантреном [125].
Раствор фенантрена (1O 3 М) бенз-(а)-пирена (10 9 М) и пн (10 9 )
220 с; 1 замедленная флуоресце ция возб у ждаемая свет ом ре З Н lз а Н М в этаноле при
6 u u' М при скорости nor ло
щения 10 эннштеин((л.с); 2 то же. но после освещения в течение зо мнн' 3 б
флуоресценция нри чувствнтельности в 600 раз меньше.' ыстрая
обнаружение неожиданной примеси в перекристаллизованном и
очищенном зонной плавкой образце флуорена [125], а третий
показывает, сколь высока интенсивность сенсибилизованной за-
медленной флуоресценции при меси в дважды перекриt:таллизо-
ванном образце хризена [104].
::s
::s
:t'
:t'
::s
"1
'"
::s
r. Пuрен оензпuрен
11 rn t t t
11
,1
3,'
11
I \
I 1
I \
1\ I \
1" "
I
I
I
I
I
,
I
,
,
I
::s
::s
:t'
:>:
<1>
::t
'"'
::SO(
!::!
s1 2
"';<1>
Е2.
S
:t:;:x
!11
VO
:t:
<1>
1:
300 340
Длина во""ны, НМ
Рис. 168. Сенсибилизованная замедленная флуоресценция примесей 80
флуорене [125].
5.10 5 М раствор флуорена в этаноле при 750 С; 1 замедленная флуоресцеиция, воз'
буждаемая линией З02 нм при скорости поrлощеиия света 0,9.10 6 эfiнштейн/(л, с):
2 быстрая Флуоресценция при чувствительности в 2000 раз меньше; 3 быстрая флуо-
ресценция раствора аценафтена.
Следует отметить, что процесс сенсибилизации состоит в пе
реносе части энерrии возбуждающеrо света (довольно большой
по отношению к корцентрации акцептора) к акцептору и фото
разложение даже при небольшом квантовом выходе будет при-
водить к весьма быстрому исчезновению акцептора в освещае-
мом растворе. Так, попытки увеличить чувствительность метода
использованием возбуждающеrо света чрезвычайно высокой ин-
тенсивности MorYT привести к тому, что в течение нескольких
минут, необходимых для записи спектра замедленной флуорес-
ценции, произойдет заметное фоторазложение. Это иллюстри-
рует рис. 167: при освещении исходноrо раствора (кривая 1)
светом очень высокой интенсивности наблюдалось чрезвычайно
быстрое уменьшение максимума испускания бенз- (а) 'пирена.
Вначале исходную интенсивность можно восстановить, встряхи-
i'lЯ кювету и освещая свежие порции раствора. Но цосле
нентом. Если сп:ктр замедленной флуоресценции отличается от
спектра быстрои u флуоресценции, то можно предполаrать при-
сутствие примесеи. Следует учитывать возможность испускания
возбужденноrо димера OCHoBHoro компонента, например пирена;
однако ero спектр состоит из широкой бесструктурной полосы
тоrда как сп ктры сенсибилизованной замедленной флуоресцен
ции примесеи ароматических уrлеводородов почти всеrда про
являют некоторую колебательную структуру. Примеры таких
проб на чистоту приведены на рис. 167 169. В первом примере
в образце фенантрена обнаружены пирен и бенз- (а) -пирен в KO
ЛИl,, стве 1 ч. на 106 ч. фенантрена [125]. Второй иллюстрирует
432
r ЛАВА V
ПРИМЕНЕНИЕ В АНАЛИТИЧЕСКОй ХИМИИ
433
продолжительноrо освещения со встряхиванием почти весь пи
рен и бенз (а) -пирен разлаrаются, как это видно из рис. 167
(кривая 2).
Измерение сенсибилизованной антистоксовой замедленной
флуоресценции (см. раздел II, [, 6) открывает интересные воз-
можности. Так. Паркер, Хатчард и Джойс [110, 125] показали,
что тщательным подбором красителя в качестве триплетноrо
диновый оранжевый и эозин), которые имеют более низкие энер-
rии триплетов, хорошо сенсибилизуют лишь уrлеводороды, при-
веденные в нижней части табл. 49, а эозин сенсибилизует только
Таблица 49
Селективная сенснбилизация замедленной флуоресценции
при 22 ос (l25]
'\
I \
1 I \
I \/'у'З
.1::1 I \
:t:
I \
I \
I \
I \
\
, \
<1> I
.::... \
ос: I , \
I I \
I I \
,. ,
.1 \
,\ I \
1\) \
I 'f \
1 z \"""""'"
I
......
360 100 . 440 480 520
AI,"Ha ео.IJНЫ, НН-
е A'lO'
сенсибилизатор
Триплет
ный хлор
Соединени е уровень, хлор rидрат
MKM l rидрат акридино- эознн
про 80ro
флавина оранже-
80ro
Нафталин 2,12 <0,02 <0,02 <0,02
Хлорrидрат профлавина 1,71
Пирен 1,69 0,2 <0,02 <0,02
1,2 Бензантрацен 1,65 0,9 <0,02 <0,02
Хлорrидрат акридино 1,60
Boro оранжевоrо 1,48 2 3 0,02
АНТIБцен
3,4 ензпирен 1,47 6 5 0,2
Эозин 1,42
Перилен 1,26 0,8 2 5
Рис. 169. Сенсибилизованная замедленная флуоресценция примесей в хри -
зене [104J.
2,6.10 5 м раствор хризена в этаноле при 21° С; / быстрая флуоресценция при чувстви,
тельности. равной 3; 2 замедленная флуоресценцня при чувствнтельности 400, им еющая
слабую полосу хризена; 8 замедлениая флуоресценция при чувствительности 25, имеющая
интенсивиые Полосы примеси. Скорость поrлощения света 2.10 5 эйиштейи(л. с).
При м е ч а н и е. Концентрация акцепторов 10 6 М. Скорость поrло
щения света донорами: 6.10 6, 5.5.10 6 и 1l.1O 6 эйнштейнf(л'с) при 436,
436 и 546 нм для хлорrидрата профлавина, хлорrидрата акридиновоrо opaH
жевоrо и эозина соотвеТСТВеННо.
сенсибилизатора можно селективно сенсибилизовать замедлен-
ную флуоресценцию определенных компонентов смеси. В таБЛ.49
приведены результаты, полученные с шестью ароматическими
уrлеводородами и тремя сенсиБИJlrIзаторами. Так, профлавин
сильно сенсибилизовал бензантрацен, антрацен, бенз-(а)-пирен
и перилен, поскольку триплетные уровни этих уrлеводородов ле-
жат значительно ниже, чем у профлавина. Сенсибилизация пи-
рена была слабой, так как ero триплетный уровень лишь HeMHO
ro ,ниже уровня профлавина, а сенсибилизация нафталина
совсем незначительной, так как ero триплетный уровень лежит
выше уровня профлавина. Два друrих сенсибилизаТQра (акри,
перилен. На рис. 170 показан при мер практическоrо примене
ния селективной сенсибилизации. Он относится к обнаружению
0,01 % антрацена в образце пирена, содержащем, кроме .тоrо,
0,01 % 1 ,2 бензантрацена. Использование для анализа это и си
стемы обычной спектрофлуориметрии затруднено, так как
спектры поrлощения и испускания всех трех соединений пере
крываются. Измерение фосфоресценции нецелесообразно, по-
скольку фосфоресценция антрацена очень слаба. Использование
caMoro пирена в качестве сенсибилизатора нежелательно, так
как это приведет к сенсибилизации замедленной флуоресценции
1 ,2 бензантрацеl!а, а также к замедленному испусканию ero ди
мера, если .только антрацен присутствует не в той концентрации,
которая достаточна для сильноrо тушения триплета пирена.
Из табл. 49 видно, что триплетный YP()1'1eHh акридиновоrо opaH
жевоrо лежит ниже уровня пирена и 1,2 бензантрацена, но выш
434
r ЛАВА V
ПРИМЕНЕНИЕ В АНАЛИТИЧЕСКОй ХИМИИ
435
соответствующеrо уровня антрацена. Действительно, в спектре
замедленной флуоресценции смеси, сенсибилизованной акриди-
новым оранжевым при 436 нм, имеются полосы, обусловленные
антраценом, и нет ни одной полосы, обусловленной пиреном или
1 ,2 бензантраценом.
Метод селективной сенсибилизации, подобно друrим аналити-
ческим методам, имеет ряд оrраничений. В частности, чистый
:з
::1
::r
:z:
<!J
::r
"'t:s
:З:Z:
...
.ot:l
eg.
......
0::1
"'
CD:Z:
::s"""
...
:z:
,....
I \
, \
, \2
I \
, \
I \
I \
I \
I \
, \
, ,
I ,
, '...
щевая и фармацевтическая промышленность и т. д. Эти методы
MorYT быть полезны при решении таких проблем, как заrрязне
ние воздуха, анализ естественных продуктов (нефть), а также
продуктов переработки KaMeHHoro уrля (см. предыдущие раз-
делы). Мы рассмотрим лишь несколько методов, которые MorYT
служить примером применения для решения проблем, связанных
с определением следовых количеств сложных веществ, спектры
которых обычно довольно размыть!.
Несомненно, что большие успехи спектрофлуориметрии в об
ласти биохимии, биолоrии и медицины в значительнои степени
обусловлены фундаментальными работами Юденфренда u и co
трудников, большинство из которых описано в прекраснои моно-
rрафии [342]. Мы кратко остановимся на этих областях при мене-
ния прежде Bcero для Toro, чтобы проиллюстрировать использо
вание метода для анализа орrанических веществ. Мноrие
биолоrически важные соединения флуоресцируют (правда, иноr
да в области довольно коротких длин волн), и наилучшие MeTO
ды основанные на природной флуоресценции, заключаются
об IЧНО в реrистрации испускания при больших длинах волн, rде
не мешают друrие соединения, присутствующие в биолоrич ском
материале. Методы, основанные на естественной флуоресценции,
используются, например, для анализа витамина А, рибофлавина,
лекарственных препаратов (хинин и порфириньО И раститель
ных пиrментов.
Из обычных аминокислот флуоресцируют только те, которые
содержат ароматические системы, например триптофан, тирозин
и фенилаланин [343]. Они поrлощают только ниже 300 нм, И В
этой области возбуждаются также мноrие друrие распространен
ные соединения, например продукты rидролиза белков. Поэтому
Ваалкс и Юденфренд [344] разработали для тирозина химиче
ский метод (реакция с сх нитрозо нафтолом в присутствии азот
ной и 'азотистой кислот) получения флуоресцирующеrо продукта,
который можно возбудить в видимой области при 460 нм. Такой
способ при меняется, например, для определения тирозuина в плаз
ме или ткани с использованием сравнительно простои методики,
не требующей полноrо выделения тирозина. В биохимических
исследованиях такой принцип сдвиr параметров флуоресцен
ции в более длинноволновую область очень часто используется
с целью избежать помех, обусловленных мнorими сопутствую
щими веществами, и обеспечить более надежную идентифи
кацию. u u
Разработка некоторых методов требует большои химическои
изобретательности. Хорошим примером может служить приме
нение реакции триоксииндола (реакция замыкания цикла) для
одновременноrо определения эпинефрина и норэпинефрина [342].
400 450 500 550
, A.l!UHa во.llНЫ, н..м
Рис. 170. Обнаружение антрацена в образце пирена путем селективной
сенсибилизации замедленной флуоресценции [125].
Раствор содержал IO 2 М пирена, IO 6 М 1'2.беизантрацена и 10 6 М антрацеиа
с 1,7.IO 5 М хлорrидрата акридиновоrо ораижевоrо в качестве сенсибилизатора при 220 с:
1 замедлеиная флуоресцеиция. возбуждаемая светом 436 им при скорости поrлощения
6.Io 6 эйнштейн/(л' с); 2 быстрая флуоресцеиция прн чувствительностн в 4000 раз
меиьше.
спектр сенсибилизованной замедленной флуоресценции можно
получить только для Toro компонента смеси, у KOToporo наи-
меньшая триплетная энерrия. Сенсибилизация с более высокой
энерrией триплетов дает смешанный спектр, обусловленный не-
сколькими компонентами.
5. Друzuе методы анализа, основанные на быстрой
флуоресценции в жидком растворе
к этой rруппе относится наибольшее число известных фото-
люминесцентных методов, применяющихся в таких областях, как
Рl'олоrия, медицина, биохимия растений, сельское ХОЗЯЙСТj30, Ц -
436
ПРИМЕНЕНИЕ В АНАЛИТИЧЕСкОй ХИМИИ
437
СЛАВА V
Реакция включает следующие стадии (R == СН з , эпинефрин;
R == Н, норэпинефрин):
НО СНОН
ХУ '" Окисление
СН 2 рН 6,5 нли 3,5 +
НО Q /
HN
I
R
O xy C OH
СН 2
О....?' Q /
HN
I
R
Приведем еще один при мер химическоrо метода из друrоЙ
области, а именно анализ продуктов, заrрязняющих воздух, для
которых СавицкиЙ и сотрудники разработали систему анализа,
основанную на хроматоrрафии в сочетании с фотолюминесцент
ными измерениями (см., например, [346, 347]). Одним из соеди
нений исследованных в этих работах, является циклоrексан
дион i,4, который реаrирует с о фталевым альдеrИДQМ в серноЙ
кислоте, давая дикатион пентаценхинона:
t
+
ОН
. 11
yyy
A
11
ОН
+
ОН
НО /'
\
HoA " /
N
I
R
О СНОН
XX "
СН 2
О....?' ....?' /
N
I
R
Это соединение испускает флуоресценцию при 650 нм с харак-
терным спектром возбуждения, имеющим максимумы при 350,
575 и 625 нм и переrибы при 382 и 540 нм. Предел обнаружения
составляет 1 0 6 r [348]. .
Обратимся теперь к совершенно друrой области. Не rоворя
уже о пр менении спектрофлуориметрии для определения KOH
кретных веществ, ее можно использовать в качестве эмпириче
CKoro метода, или «метода отпечатков пальцев» для идентифика
ции сложных смесей eCTecTBeHHoro и искусствеННОI'О происхожде
ния или для сравнения различных фракций, полученных из
природных продуктов. Мы рассмотрим здесь пр мене!ше спектро
флуориметрии для анализа нефтяных фракции f1..иrJаМПfl фJТу()
ресценция нефтяных масел и сложных смесеи уrлеводородов,
таких, как вазелин, воск и т. д., была известна давно.; она обуслов
лена следами ароматических или rетероциклических соедине-
ний, поrлощающих в ближней ультрафиолетовой или фиолетовой
областнх. Эйзенбранд [349, 350] исследовал такое испускание из
жидкоrо парафина и желтоrо вазелина и церезина, возбуждае
мых линией ртути 366 нм. Эта флуоресценция в расчете на еди
ницу концентрации суммарнorо уrлеводорода слаба и относи
тельно неспецифична. Паркер и Барнс [351] наблюдали rораздо
более интенсивную флуоресценцию в ультрафиолетовой области
приблизительно при 360 нм, возбуждаемую светом с длинами
волн короче 300 нм. Авторы исследовали множество различных
типов масел для автомобильных двиrателей и нашли, что все они
дают по существу одинаковые спектры испускания и возбужде
ния флуоресценции. Они пришли к выводу, что испускание
вызвано не примесями в маслах, а ароматическими уrлеводоро
дами, присутствующими в этой конкретной фракции caMoI.
Трноксииндол
(флуоресцирует)
При рН 6,5 реаrируют оба амина, а при рН 3,5 только эпине
фрин. Используются и мноrие друrие реакции с замыканием
цикла, например реакция rексоз (в частности, rлюкозы с 5 окси
тетралоном 1) в серной .кислоте с образованием флуоресцирую-
щеrо бензонафтендиона [345]
О Q)
v ===0
или реакции поликарбоновых кислот с резорцином; так, яблоч-
ная кислота дает умбеллоферон 4-карбоновую кислоту:
07 /0" :?,о
I
-:?'
. С0 2 Н
Л1ноrие реакции конденсации в серной кислоте с добавлением
или без добавления друrоrо peareHTa приводят к флуоресцирую
щим продуктам (часто неизвестной структуры), которые ИСполь-
зуются для аналитических целей. Уже не раз rоворилось о том,
что при разработке новых аналитических методов для конкрет-
аых проблем орrаническоrо анализа не следует, конечно, исклю
чать из рассмотрения и флуориметрические методы, даже если
еС1 ственная флуоресценция отсутствует.
438
tЛАВА V
ПРИМЕНЕНИЕ В АНАЛИТИЧЕСКОrI химии
439
нефти. Они применили метод для определения масляноrо тумана
в воздухе из компрессоров. Через небольшие диски фильтро-
вальной бумаrи было пропущено около 50 л воздуха. Фильтр
промывали небольшим объемом циклоrексана и измеряли интен
сивность флуоресценции. Чтобы избежать ошибок, связанных с
изменением содержания ароматических соединений в смазочных
маслах, приrотовляли стандартные растворы (для сравнения)
1[
<u
<U
&01
i
...
1:2,
I::
:z:
c!)<u
tJ
:z:
<u
Е
ласти нафталина, тоrда как максимальное испускание смазоч-
Horo масла появляется в области фенантрена при ,...". 360 нм. Не-
очищенное масло содержит, кроме Toro, более сложные соедине
ния, испускающие при больших длинах волн. Почти нет
сомнения, что фотолюминесценция может служить мощным ме.
тодом исследования ,ароматических и rетероциклических соеди-
нений, присутствующих в неочищенных маслах, особенно после
их предварительноrо выделения с помощью различных типов
хроматоrрафии. Характерные тесты MorYT быть основаны и 4а
низкотемпературной флуоресценции и фосфоресценции (см. раз
дел V, Д, 7).
Новое применение спектрофлуориметрии в жидком растворе
было описано ApMcTpoHroM и rpaHToM [352], которые сконструи
ровали высокочувствительный химический дозиметр для ионизи
рующеrо излучения, основанный на радиолизе водных растворов
бензоата кальция. Они определили салициловую кислоту, обра-
зующуюся при радиолизе, возбуждая облучаемый раствор при
290 нм и измеряя флуоресценцию при 400 нм. Продуктом радио-
лиза является также дифенил, но он не мешает определению.
ApMcTpoHr и rpaHT нашли, что интенсивность флуоресценции
является линейной функцией концентрации салициловой кис-
ло'ры, которая пропорциональна дозе peHTreHoBcKoro или [амма-
излучения в пределах от 5 до 100 рад. Применение подобноrо
принципа при конструировании чувствительноrо химическоrо
актинометра для видимоrо и ультрафиолетовоrо света было бы
интересным, если бы удалось найти вещество, фотолиз KOToporo
при водит к продукту, определяемому спектрофлуориметрически.
Применение высокочувствительной спектрофлуориметрии в
качестве метода анализа следов вещества сра внительно не-
сложно. Добавляя относительно небольшие количества сильно
флуоресцирующеrо красителя в воду, можно следить за движе-
нием больших ее масс [157].
Длина вОАНЫ, нм
Рис. 171. Флуоресценция цикло'rексановых растворов нефтяных продуктов
/' при комнатной температуре.
Возбуждение линией 250 нм, выделенной решеточным монохроматором с фильтрам" ОХ7
и хлорным; ширина ПО ТIOСЫ 2П<lлизирующеrо монохроматора 3,3 им; 1.... сырое масло,
2 мкr/мл, х 2,5; 2 автомобильная смазка, 20 мкс/м", х 1; 8 автомобильное дизельное
то['ливо, 20 MKr/MJI, Х 1; 4 автомобильный бензин, 20 MKr /мл, Х 2; 5 Только цикло'
reKca", Х 15.
из образца масла, взятоrо из резервуара компрессора. Чувстви-
тельность была оrраничена фоном от фильтровальной бумаrи и
циклоrексана. Она составляла около 0,6 MKr масла на 1 мл
циклоrексана или 0,06 MKr масла на 1 л воздуха.
Если использовать возбуждающий свет высокой интенсивно
сти при 250 нм и большой решеточный монохроматор для aHa
лиза испускания флуоресценции, то можно обнаруживать очень
низкие концентрации смазочных масел в циклоrексане. Так,
сравнение кривых 2 и 5 на рис. 171 показывает, что предел здесь
определяется фоном растворителя и составляет приблизительно
0,02 мкrjмл. Сравнение спектров различных нефтяных продуктов
(рис. 171) показывает, что чем леrче фракция, тем короче ДЛИНа
чолны rлавноrо максимума испускания флуоресценции. По,види-
мому, автомобильный бензин содержит соединения бензоидноrо
ТИI'З. Дизельное топливо дает значительное испускание в об-
6. Тушение флуоресценции и косвенные методы
анализа
Поскольку очень мноrие орrанические вещества обладают
естественной флуоресценцией или MorYT быть превращены во
флуоресцирующие вещества, косвенные методы используются
редко, если не считать одной важной rруппы, а именно методов,
используемых для анализа ферментов и исследования кинетики
ферментативных реакций. Эти методы основаны на способности
фермента катализировать определенную орrаническую реакцию,
один из продуктов которой либо флуоресцирует, либо может
быть переведен во флуоресцирующее вещество. Реакция про.
/30дl1ТСЯ при соответствующих условиях, и скорость обраЗQвания
440
r ЛАВА V
продукта служит мерой концентрации фермента. Чувствитель
ность спектрофлуориметрических методов позволяет определять
крайне малые концентрации ферментов или, наоборот, субстра
тов, с которыми они взаимодействуют [342].
Намеренное тушение флуоресценции редко используется в
орrаническом анализе, однако можно представить себе ситуации,
коrда ero Можно применить для повышения селективности. Ha
пример, насыщение раствора пирена в циклоrексане воздухом
тушит флуоресценцию приблизительно в 20 раз, тоrда как для
антрацена и мноrих друrих ароматических уrлеводородов флуо-
ресценция уменьшается лишь незначительно. Таким образом, на-
сыщение раствора воздухом при определении антрацена сведет
;к минимуму мешающее действие пирена; затем для определения
ТIOследнеrо можно деrазировать раствор, чтобы увеличить испу-
скание пирена. Использование тушения для определения моле.
Кулярноrо кислорода обсуждается в разделе У, Ж, 3.
7. Друzие методы анализа, основанные
на флуоресценции и фосфоресценции в стеклообразных
средах
Исключительно высокая чувствительность и надежность, KO
торые MorYT быть достиrнуты при использовании фосфоресцен
ции при 77 К в анализе некоторых ароматических уrлеводородов
и rетероциклических соединений, были частично обсуждены в
разделе У, Д, 3, rде были упомянуты работы Цандера [337] и
Паркера [210]. Теперь мы опишем применение этоrо метода для
анализа друrих типов соединений. Спектрофосфориметрия и
СПАктрофлуориметрия в значительной степени дополняют друr
друrа, так как Отсутствие флуоресценции у поrлощающей моле-
кулы указывает обычно на высокую эффективность образования
триплета, а это означает высокую эффективность фосфоресцен-
ции при условии, что безызлучательные процессы при 77 К не
являются слишком быстрыми. Льюис и Каша [30], исследуя три-
плетное состояние в 1 вердых средах, предложили использовать
фосфоресценцию орrанических молекул для их идентификации.
Это предложение было разработано Кэйрсом и сотр. [353], KOTO
рые отметили, что спектры фосфооесценции более 200 соедине
ний в твердых средах при низкой температуре, уже изученные
фотохимиками, представляют блаrодатное поле деятельности для
химиков-аналитиков. Они создали экспериментальные схемы для
анализа смесей, таких, например, как бензальдеrид, бензофенон
и 4 нитродифенил в эфир-пентан спиртовой (5: 5 : 2) смеси при
77 К, используя для возбуждения фильтрованный или нефиль-
трованный свет ртутной лампы, фосфороскоп Беккереля и спек-
трС'''раф ДJЩ :?аписи спектров испускания. Они преДПОЛОЖИJ:Щ
t1РИМЕНЕНИЕ В АНАЛИТИЧЕСКОй ХИМИИ
441
также, что измерение времени жизни фосфоресценции или тща
тельный контроль за длиной волны возбуждения MorYT помочь
при определении соединений, имеющих аналоrичные спектры
испускания фосфоресценции. Фрид и Сальмре [354] использовали
спектры фосфоресценции для Toro, чтобы различить некоторые
производные индола, имеющие значение при изучении цeH
тральной нервной систе .
мы. Они работали со i
см {'сью метанол этанол t;
"
(9: 1) при 77 К и нашли, !
что чувствительность or-
Р аничивается фосфорес-::!
ценцией примесей в paCT
ворителе и кюветы из t
, плавленоrо кварца. Воз
<.>
можности измерения фос
форесценции как метода <>
анализа обсуждены в
о
статьях Хольцбехера
[355] и Паркера и Хат.- а
чарда [203]. В последнеи
статье Паркер и Хатчард :i: А
показали, что можно дo 2,2 2,/ 2,0 /,9 1,8 1, 7 . 6 1,5
стичь высокой ЧУВСТВИ- 80.лновое чисдо.мкм
тел.ьности при использо- Рис. 172. Спектры испускания фосфорес-
вании монохроматическо ценции разбавленных растворов антрахи
нона в смеси эфир пентан этанол при
ro возбуждающеrо света, 77 к:.
выделенноrо MOHoxpOMa Возбуждение при 3,19 MKM I (313 нм); кварцевый
тором (см., например, анализирующий монохроматор с фотоумножителем
рис. 172), и продемонст 9558Q; полуширина полосы 0,024 MKM 1 при
Ь 2.5 MKM 1; А только растворитель; Б антрахи,
рировали возможност нон в растворителе, 0,03 мкr{мл; B TO же,
записи исправленных 0,06 мкr/мл; r TO же, 0,09 мкr/мл.
спектров возбуждения
фосфоресценции (рис. 11'3). Они рекомендовали использовать
раздельные прерыватели (см. раздел III, Н, 1), чтобы суммар-
ный спектр фосфоресценции и флуоресценции и спектр только
фосфоресценции было удобно измерять один за друrим.
Вайнфорднер и сотрудники описали ряд MeTO OB определе ия
соединений, представляющих фармаколоrическии интерес. Ваин-
форднер и Лац [356] определили аспирин в 0,4 мл сыворотки
или плазмы крови экстракцией хлороформом, упариванием, из-
мерением фосфоресценции при 77 К в смеси эфир пентан
эта нол (5: 5 : 2) с использованием для возбуждения «белоrо»
света ксенонОВОЙ дуrи и измерением фосфоресценции при 410 нм.
Им удалось надежно определить 10 1000 1Кr аспирина на 1 мл
сыворотки или плазмы, причем суммарныи фон соответствовал
r
442
tЛАВА v
ПРI1МЕIIЕНИЕ В АНАЛИТИЧЕСКОй ХИМИИ
443
приблизительно 5 MKr аспирина на 1. мл сыворотки. Вайнфорд-
нер и Тин [357] приводят длины волн возбуждения и испускания
для 22 соединений в этаноле при 77 К с пределами обнаружения
от 1,2 мкr/мл для Лидокаина до 0,005 мкr/мл для бензойной
КИСJIOТЫ. ОНИ разработали методы определения новокаина лю-
минала, кокаина и хлорпромазина в сыворотке крови, а т кже
кокаина и атропина в моче [358]. Методы основаны на экстрак-
00 ции хлороформом или
,... эфиром, упаривании и из
II: о! мерении в эфир-пентан
g ....... спиртовом стекле. Авторы
,,::s отметили [357], что для
.$ одних смесей анализ мож
IIE g g но провести непосредст
венно путем соответст-
... вующеrо подбора длин
Е волн возбуждения и ис
::s& E
... 0 "" :.:.: пускания, а друrие Tpe
О '->"" б
'" уют предварительноrо
О -Q. 8 разделения. Вайнфорд
4,2 4,0 3,8 3,6 3,4 3,2 3.0 2,8 нер и Мой [359] описали
ВОАновое ЧUС.IIО воз6у:нсдающеzо света. метод определения нико-
..и"м- 1 тина, норникотина и ана-
Рис. 173. Спектр возбуждения фосфорес' . базина в табаке, осно.ван-
ценции антрахинона в смеси эфир пен- ный на экст р акции ще-
тан этанол при 77 К (20.3].
А спектр возбуждения; Б спектр пос лощения лочноrо раствор а ХЛОро
в этаноле при 295 К. формом, выделении с по-
мощью тонкослойной хро-
матоrрафии и фосфориметрическом измерении при 77 К в этано-
ле, содержащем 2% H 2 S0 4 . Все три соединения дали аналоrич-
ные спектры возбуждения (270 нм) и испускания (385 нм)
фосфоресценции.
Чтобы избежать ошибок, которые MorYT появиться в резуль-
тате небольшоrо изменения положения кюветы или рассеяния
света в жидком азоте или в самом образце (если растворитель
растрескивается), Паркер и Хатчард [90] добавляли внутренний
стандарт, флуоресцирующий или фосфоресцирующий в такой
области, которая не перекрывается со спектром определяемоrо
со динения. Очень удобным стандартом для смесей растворите-
леи, содержащих эта нол, является хлорrидрат окисленной формы
диаминфеноксазина: N
H'2N OnNH2
Это соединение кислородный аналоr тионина; оно имеет боль-
шу:.о эффективность флуоресценции, чем последний, с максиму-
мом при 600 нм, т. е. достаточно далеко от области флуоресцен
ции большинства соединений. Ero флуоресценцию можно успеш
но использовать в качестве стандарта и для измерений фосфо-
ресценции, если при менять устройство с двумя синхронными
прерывателями (см. раздел 111, Н, 1), позволяющими леrко пере
ходить от одноrо режима к друrому. Это соединение фосфорес-
цирует в инфракрасной области и, следовательно, не меШ8ет из
мерению фосфоресценции друrих соединений.
::s
::s
::t
:t
'"'
::s:t
"I
.01:1
I:
2
'Z)cu
::s
300
400
ДАина вОАНЫ. ММ
500
Рис. 174. Флуоресценция и фосфоресценция нефтяных продуктов в смеси
эфир пентан этанол (3: 1 : 1) при 77 К.
Возбуждение светом 250 нм, выделенным решеточным монохроматором с фильтрами ОХ7
и хлорным; ширина полосы анализирующеrо моиохроматора 3,3 нм; 1 сырое масло (кривая
характеризует в основном флуоресценцию; фо"форесценция возникает между 420 и 570 нм
с максимальной интенсивностью, равной прнблизительно 1/4 максимальной интенсивности
флуо сценции); 2 смазка для автомобильноrо двиrатеJIЯ (часть кривой выше 420 нм
В ОСНОВНОМ фосфоресценция; истинная относительная интенсивность в, три раза больше;
см. раздел 111. Н, 2); 3 автомобильное дизельное топливо (часть кривой выше 420 нм
в основиом фосфоресцею\Ия; см. приведенное выше для кривой 2); 4 автомобильный
бензин (кривая характеризует в основном флуоресценцию; фосфоресценция по!'вляется
между :;60 и 480 нм с максимальной интенсивностью, составляющей примерно 177 макси'
мальной интенсив'IОСТИ флуоресценции).
Дополнительные экспериментальные данные можно получить,
если про водить измерения при низкой температуре. На рис. 174
в качестве примера показаны низкотемпературные спектры че
тырех нефтяных продуктов, спектры флуоресценции которых при
комнатной температуре приведены на рис. 171. Спектры рис. 174
были сняты при синфазной установке прерывателей и, следова
тельно, включают как флуоресценцию, так и фосфоресценцию,
хотя последняя была записана с интенсивностью, равной только
'/з ее истинноr.о значения (см. раздел 111, Н, 2). Все четыре об.
разца при низких температурах дали характерные И более
444
rЛАВА v
ПРИМЕНЕНИЕ В АНАЛИТИЧЕСКОй ХИМИИ
445
ны В разделе IV, Е, 5. Измерение таких спектров Шпольскоrо
имеет значительные преимущества перед друrими аналитиче-
скими методами. Д.1ИНЫ волн rлавных максимумов можно BЫ
делить с большой точностью, что обеспечивает надежную иден-
тификацию. Такие характерные резкие пики часто можно леrко
выделить на фоне Широ
ких полос испускания, oi'
обусловленных присут
ствием больших коли
честв друrих фосфоресци
рующих веществ. Пожа
t::
луй, самое важное при-
менение описываемоrо!
метода состоит в опреде
лении следов Канцероrен
Horo бенз (а) пирена. Мю-
эль и Лакруа [292] усо-
вершенствовали этот
метод до высокой степени
чувствительности. Они
использовали фильтро
ванный свет ртутной лам
пы, состоящий в основ-
ном из rруппы линий
при 366 нм, и большой
двойной монохроматор со
стеклянной призмой для :l::
анализа спектров испус-
кания растворов в H OKTa
не, замороженных при
77 К. Для Toro чтобы РИС. 175.
скомпенсировать эффек-
ты BHYTpeHHero фильтра,
вызванные друrими ком-
понентами образца, aBTO
ры использовали метод
стандартных добавок и до бились точности более 10%. MeTO
был применен для анализа сиrаретноrо дыма, а также питьевои
воды и вин. В воде никаких следов бенз (а) пирена не найдено,
0днако небольшие количества ero были обнаружены в алкоrоль-
HbIX напитках.
Паркер и Хатчард [307] использовали преимущества чрезвы-
чайно высокой характеристичности спектров Шпольскоrо для
установления различия между близкими продуктами фотохими-
ческой реакции бенз- (а) -пирена (см. также раздел IV, Ж, 4).
Продукты, получеНнЫе при проведении реакции в этаноле, ме-
разрешенные спектры флуоресценции. Смазочное масло оказа-
лось уникальным в том отношении, что интенсивность фосфорес-
ценции была Toro же. Порядка, что и интенсивность флуоресцен-
ции. При антифазнои установке прерывателей были измерены
спектры. чистой фосфоресценции (без флуоресценции). Все
спектры фосфоресценции имели некоторую структуру, что моrло
служить дополнительным критерием для идентификации. Обла-
сти длин ВОЛН, в которых наблюдалось испускание фосфоресцен
ции, указаны в подписи к рис. 174.
Хотя почти все аналитические применения фосфоресценции
связаны с измерениями при низкой температуре, имеет смысл
рассмотреть и измерения в твердых прозрачных орrанических
стеклах (полимерах) при комнатной температуре. Так, напри-
мер, Остер и сотр. [360] нашли, что в этих условиях мноrие аро-
матические yr леводороды и красители фосфоресцируют. Для
введения вещества в твердый раствор они использовали три Me
тода: высаживание из растворителя, плавление с растворяемым
веществом и полимеризацию мономера, в котором вещество было
растворено. Для ароматических уrлеводородов ИСПОЛьзовали
полистирол, полиметилметакрилат, поливинилацетат, ацетат
целлюлозы, этил или метилцеллюлозы и поликарбонат. Для
водорастворимых красителей авторы применяли поливиниловые
спирты различной степени ацетилирования и некоторые произ
водные целлюлозы. Они нашли, что кислород тушит фосфорес-
ценцию, и использовали этот факт для определения скорости
диффузии кислорода в пластмассу. Поскольку время жизни
фосфоресценции обычно зависит от природы полимера и от тем-
пературы, был сде.пан вывод, что на триплетное тушение влияет
не только микроброуновское движение полимерных cerMeHTOB,
но также специфическое взаимодействие с полимерной матрицей.
Драшел и Саммерс [361] описали методы определения неко-
торых инrибиторов в этиленпропиленовом каучуке непосред-
ственным измерением их флуоресценции и фосфоресценции. ОНИ
привели данные для трех инrибиторов: полимерноrо триrидро-
метилхинол ина, 2,2' иметил 5,5' ди -трет бутил 4,4' - диоксидифе-
нилсульфида и феНИk2 нафтиламина. Основная трудность свя-
зана с эффектами внутренних фильтров, и для получения коли
чественных результатов при измерениях следует вносить по-
правку на толщину полимерной плt.-нки.
1
1
1
I
I
I
I
[--11
11
11
11
11
11
11
11
11
11
11
11
1
1
1
1
1
1
I
I
I
I ,
\ \, I /
.001 ..../ "I\ I
z
460
480 500
мина во.llНЫ. НМ
Применение спектров Шполь-
CKoro [307].
Быстрая флуоресценция в растворе циклоrексан
(75 %) ,, oKTaH (25 %) при 77 К, возбуждаемая ли-
нней 366 нм; ширина полосы 0,2 нм при 400 им;
1 бенз (а) пирен; 2 продукт фотореакиии в эта
ноле.
8. Методы, oCHoBaHHble на флуоресценции твердых
растворов
Спектры флуоресценции с колеб.ательной структурой BЫCOKO
[о разрешения, полученные для замороженных растворов HeKO
торых соединений в насыщенных н парафинах, были рассмотре,
446
r JlЛВА V
ЛРИМЕНЕНИЕ В АНАЛИТИЧЕСКОЙ химии
447
таноле и бутаноле, дали одинаковые спектры возбуждения и
испускания флуоресценции при комнатной температуре. Спект-
ры Шпольскоrо продуктов реакции подобны спектру caMoro
бенз-(а)-пирена (см. КрИВЫе 1 и 2 на рис. 175), но сдвинуты в
область больших длин волн. Спектры всех трех продуктов раз-
личаются по длинам волн и относительным интенсивностям рез-
ких пиков. Такие характерные спектры было бы трудно получить
друrими методами, имея менее 1 MKr образца.
в
не показано) примесей было очень MHorO После 530 зонных про-
пусканий достиrалась высокая степень очистки, а после 730 про-
пусканий верхняя часть колонки (10 см T верха) по cYLЦecTBY
не содержала флуоресцируюllJ,ИХ примесеи. Спектры, приведен-
ные на рис. 176, соответствуют очень низким уровням интенсив-
ностИ флуоресценции, и, чтобы избежать помех от возбуждаю-
LЦero рассеянноrо света, для выделения возбуждаЮLЦ rо света и
реrистрации флуоресценции БЫЛif использованы двоиные MOHO
хроматоры. Хотя примесь, ответственная за спектр с тремя мак-
снмумами, была окрашена в желтый цвет, в случаях, которые
представлены кривыми на рис. 176, А, по цвету ее обнаружить
не удалось.
:::S
:::S
::f
:t:
Q)
::r
I.J
Q).......
0:1:
:I:
"::QJ
-Э-..
.аС!)
E;IS
c,,
о\,)
:I::::S
Q)QJ
::с :t:
(,)'-"
1:1:
Q)
Е:
А
Б
10
9. Флуоресценция и фосфоресценция адсорбированных
веществ
Савицкий и Стэнли [362] описали ряд проб, осонованных. на
появлении флуоресценции пятен на фильтровальнои бумаrе,для
rлиоксаля, пировиноrрадноrо, салициловоrо и друrих аромати
ческих альдеrидоВ с использованием в качестве peareHToB rидра-
зонов салициловоrо альдеrида или 2-0кси-l-нафтальдеrида. Пре-
делы визуальноrо обнаружения колеблются от 0,01 MKr для
пировиноrрадноrо альдеrида до 10 MKr для салициловоrо аль
деrида. Савицкий и Джонсон [363] сооБLЦИЛИ u о визуальных про-
бах по пятнам для широкоrо ряда соединенuии, с которыми мож-
но встретиться при изучении заrрязнении воздуха. К таким
соединениям относятся полициклические ароматические уrлево-
дородЫ и их амино-, нитро- и альдеrидные производные; акри
дин бензо- и дибензоакридины; бензо- и дибензокарбазолы,
про зводные 4-аминоазобензола; фенолы, азаrетероциклические
СОЕ динения и пестицИДЫ, такие, как фенотиазин uи паратион.
Пробы получали на стекловолокне или целлюлознои бумаrе, на
ТОШ<ОСЛОЙНЫХ xpoMaTorpaMMax с окисью алюминия или aцeTa
том цеЛЛ I)ЛОЗЫ. Видимую флуоресценцию или фосфоресценцию
пятен наблюдали при температуре жидкоrо азота. Характерно
окрашиваются .как сухие пятна, так и пятна, влажные от при
сутствия растворителя. Различное окрашивание возни ало после
добавления капли серной кислоты, трифторуксуснои КИСЛОТЫ
или 29%-Horo метанольноrо раствора rидроокиси тетраэтилам-
мония. Результаты, полученные этими авторами более чем для
80 соединений, сведены в таблицу; было высказано предположе
ние что имеет смЫСл измерить спектры испускания таких пятен.
В д'руrой работе Бендер, Савицкий и Уилсон [364] описали флуо-
ресцентное обнаружение и спектрофлуориметрическую идеuнти.-
фикацию ка рбазолов, выделенных с ПОМОLЦью тонкослоинои
"
"
12 , ,(14
I
I
I '
: : I 'i
I ,1/\ 1\
,,'J,../ \
... " \
10 \
,
500 600 700 500 600 700
Д,lluна вОАНЫ, н.м
Рис. 176. Контроль зонной ОЧilСТКИ 2.3-бензфлуорена по флуоресценции.
Возбуждение линией 436 нм. выделенной двойиым призмеин,ЫМ монохроматором; аиали,
зирующий монохроматор двойиой. с квар,(евыми призмамн; фронтальное освещение
с по..lOщью" устройства. показанноrо на рис. 88; расстояние от верха Колонки (см) указаио
для. каждои кривой; длина ко;,юнкн 17 см; А после 350 пропусканнй через зону плавле-
ния, Б после 530 пропускан"ии при чувствительности в 3 раза больше; В После 730 n о-
пускании при Той же чувствительности, ЧТО и Б. Р
Непосредственное измерение спектров испускания флуорес
ценции BeLЦecTBa, подверrаемоrо зонной очистке, может быть
использовано для контроля процесса зонной очистки. Эта MeTO
дика наиболее эф ективна для обнару?Кения таких флуоресци
РУЮLЦих соединении, которые поrЛОLЦают в более длинноволно
вой области по сравнению с r лавным компонентом. Один из
примеров показан на рис. 176. UЧl1стке подверrали 2 3 бенз-
флуорен, который в кристаллическом состоянии не поr ОLЦает
в области длин волн короче 436 нм. Таким образом, при этой
длине волны возбуждается только флуоресценция примесей, но
не беНЗф'Iуорена. Было отмечено, что после 350 Пропусканий на
расстоянии 10 см от верха колонки для зонной плавки все eLЦe
содержались при меси, дающие спектр флуоресценции с тремя
характерными пиками, а в нижних частях колонки (на рисунке
rЛАВА v
ПРИМЕНЕНИЕ В АнАЛИТИЧЕСКОй ХИМИИ
449
448
хроматоrрафии; Савицкий, Эльберт и Стэнли [365] ИСПОЛЬЗовали
селективные тушители для идентификации флуоресцирующих
пятен на тонкослойной xpOMaTorpaMMe.
rлощения и люминесценции можно увеличить путем образова-
ния неорrанических комплексов. Так, Такетацу и сотр. [366] из
мерили спектры испускания карбонатов тербия и европия в BOД
нам растворе карбоната калия. Карбонат тербия, возбужденный
Е. СВЯЗЬ ЛЮМИНЕСЦЕНЦИИ НЕорrЛНИЧЕСКИХ
И ЭЛЕМЕнтоорrЛНИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИй СО СТРУКТУРОй
<::.J"........"
"'"
ts
:!::
Q
"'....
",<О
E
ul:;
О....
;,::::!
<О (u ;\
5........ 11
.............../ \
Е::!'
Еи
IV Sm
"
1,
\
\
1
1
1
1
,
\
1. Неорzанические соединения
Большинство ионов металлов, которые в водных растворах
110rлощают в кварцевой ультрафиолетовой области, не дают
люминесценции. Поrлощение света может приводить к фотореак-
ции с переносом заряда, например
FeCj2+ ......!!:::.. Fe 2 + + Сl.. (438)
560
600
Отсутствие флуоресценции у некоторых анионов, таких, как
нитрат-анион, также обусловлено фоторазложением. В окра-
Шенных комплексах некоторых переходных элементов поrлощен-
Иая энерrия деrрадирует через более низкие возбужденные со-
стояния, возникновение которых обусловлено наличием частично
заполненных d орбиталей. Редкоземельные элементы имеют ча-
стично незаполненную 4t оболочку, и электроны, находящиеся
На 4t-уровнях, поrлощая свет, MorYT перейти на незаполненны
4t-уровни. Эти уровни хорошо экранированы от внешних влия-
ний наиболее удаленными от ядра электронами, занимающими
в трехваленн'ых ионах орбитали 58 и 5р. Поэтому безызлуча,
тельная деЗ&КЧШаЦАЯ ,I'ал::, н в кристаллофосфорах все редко-
земельные элементы, содержа ЩИе от 2 до 12 t электронов,
а именно Pr, Nd,5П1, Еи, Gd, ТЬ, Dy, Но, Er, Ти, дают линейча
тое испускаНИt. СЧИТ<lЮТ, что в жидких растворах линейчатое
испускание оrраничено пятью ионами элементов середины ряда,
а именно самария, европия, rадолиния, тербия и диспрозия [126].
Спектры поrлощения редкоземельных элементов сложны, и ис-
пус;(ание может происходить с нескольких энерrетических ypOB
ней. Простые соли (например, хлориды, сульфаты) пяти ионов,
которые люминесцируют в растворе, дают линейчатое поrлоще-
иие, мало интенсивное в водной среде, и при низких концентра-
циях эти вещества трудно возбуждаются. Хлорид тербия можно
возбудить линией ртути 366 нм (уширенной давлением), и с по-
мощью чувствительноrо спектрофлуориметра обнаружить KOH
центрации вплоть до 10 5 М. Хлориды самария, европия и дис-
прози}{ этой rруппой длин волн возбуждаются менее интенсивно
(рис. 177 и табл. 52 в разделе У, Ж). При возбуждении более
коротковолновым светом растворы хлорида rадолиния дают ли-
Нейчатое испускание при 310 нм (рис. 177). Интенсивность по-
ДАина во,lfНЫ,Н,м
аа
1
, TЬ
1,
11
1,
I
........ ,
I
;:; ,
ОС:: I
.., I
<O I
::::>:
..... I
I
Е ,
,
,
\ l'
" \
JOO JZO
Д.Аина вмны, нм
Рис. 177. Люминесценция хлоридов редкоземельных элементов в 1,0 н. со-
ляной нислоте.
Возбуждение линиями 250 нм (Gd) и 366 нм (Sm, Еп, ть, Оу) с использованием ртутпоft
лампы (200 Вт) cBepxBbIcoKoro давления и решеточноrо монохроматора с шириной по.
лосы 9,6 нм; lI1ирииа полосы анализирующеrо монохроматора 3,3 нм. Концентра':'.': и
относительпые чувствительности, при которых проводились нзмерення: Gd, 4.10 М
при 4,5; Sm, 4.10 2 М при 20; Еп, 4.10 2 М при 2; ть, 10 З М прн 4; Оу, 4.10 2 М при 1;
полоса комбинацнонпоrо рассеяния при 418 нм прнблнзнтельно в 3 раза интенснвнее
линин ть при 479 нм.
при 245 нм, испускает При 497, 550 и 593 нм. Карбонат европ ия
возбуждается при 400 нм И испускает при 590 и 620 нм. Аль-
берти и Массуччи [367] нашли, что испускание тербия, диспрозия,
15 Зак, 1281
450
rЛАВА v
ПРIIМЕНЕНИЕ В АНАЛИТИЧЕСКОй ХИМИИ
451
европия и самария значительно увеличивается в водных
растворах вольфрамата натрия при возбуждении светом 265
270 нм. Это, несомненно, примеры внутримолеКУЛЯРI!О!'О пере-
носа энерrии, который
уже обсуждался в разде-
ле У, Е, 3.
Можно получить це-
лый ряд таких твердых
поликристаллофосфоров,
в которых спектральное
распределение люминес-
ценции и ее время жизни
определяются прежде все-
ro присутствием неболь-
ших количеств примесей,
или «активаторов». К по-
ликристаллическим сое-
динениям OCHOBHoro ха-
рактера относятся суль-
фиды цинка, кадмия,
кальция и стронция, хло-
рид калия, селенид цин-
ка, вольфраматы кальция
и маrния, силикаты бе-
2,2 Z,O 1.8 1,6 риллия, цинка и кадмия и
ВО.llновое ЧUС.;lО. .NI/{.м ! мноrие друrие. Примес-
р ч с. 178 В,'Iияни концентрации серной ными активаторами MorYT
кислоты на ИН,'С-l,Сl,.,Тj('''', .nЮМинесценции быть медь, се р еб р о, ма р -
иона уранила.
Вuзбужденне светом 436 нм, выделенным из излу' rанец, сурьма, таллий,
чення ртутной лампы (200 Вт) cBepXBbIcoKoro давле' свинец, редкоземельные
ния ПОМОЩЬЮ ДВОЙI:!оrо КRзрцевоrс. .у,_',похрома
тора, аналнзирvю,-".!I!! ,. ,,;l'XP')"2 ;ор двойной, элементы, висмут и уран.
кварце IIЙ' '!ИР;,lIц П"J."СЫ с,\108 MKM 1 при Подробно описаны мето-
2,0 мкм ; 1 и 2 уранилсульфат (5.10 З М) при Д Ы пол Ч Ф
200 С в 0,1 и 5 н. серной кнслоте соответственно. у ения таких ос-
форов и разработана тео-
рия чх люминесцf'НЦИИ [126, 368, 369]. Ссылки на их аналитиче-
CKOf: :трименение будут приведены позднее.
Фотолюминесценция в жидком растворе наблюдалась дЛЯ
"ОНОВ лишь очень немноrих металлов (не считая редкоземель-
ных). Фотолюминесценция урана [; растворе оrраничивается
теми соединениями, которые содержат уранил ион uo +. Все
ураниловые соли имеют спектры поrлощения и испускания оди-
HaKoBoro типа [126], хотя и отличающиеся в деталях. Одинако-
вые cr;eKTpbI наблюдаются для растворов, для чистоrо кристал-
лическоrо состояния и твердЫХ растворов (например, во фто-
риде натрия). Спектры имеют колебательную полосатую струк-
T 'Py, соответствующую колебаниям rруппы O u O (рис. 178).
'-'
2
Электроннuый переход частиЧНо запрещен, и для кристалличе-
ских солеи время жизни люминесценции составляет приблизи-
тельно 10 4 с; тем не менее люминесценция мноrих солей BЫCOKO
эффективна. Эффективность люминесценции ураниловых солей
зависит от природы и концентрации аниона и от растворителя.
По. видимому, испускание обусловлено различными комплекса-
ми уранила. Рис. 178 иллюстрирует увеличение интенсивности
люминесценции с повышением концентрации серной кислоты.
Ион таллия (I) флуоресцирует в растворе хлорида натрия
[З70], а церий и олово в серной кислоте [371, 372].
I
ос
\1)
tI
2. Металлоорzанические комплексы
Флуоресцирующий металлоорrанический комплекс простей-
шеrо типа это такой комплекс, в котором комплексный ион
образуется путем связывания ионизованноrо флуоресцирующеrо
соединения с солью металла. Так, флуоресцирующий оранже
вым цветом родамин Б соединяется с хлоридом или бромидом
трехвалентноrо таллия, образуя оранжево-красный флуоресци
рующий комплекс, растворимый в бензоле [373]. Считают, что тал
лий входит в «СОЛh», которую образует катион родамина с TlВT 4 .
Мноrие флуоресцирующие металлоорrанические соединения
это хелаты металлов. Они часто состоят из ОДНОТО иона металла,
который соединяется с одной или несколькими молекулами Хе-
латообразующеrо орrаническоrо соединения и дает жесткую
молекулу, содержi1.ЩУЮ несколько систем конденсированных ко-
лец, окружающих TOM металла. ПОСЮJЛЫ<У структура таких
комплексов по своеи природе в ос;;овном орrаническая, можно
ожидать, что их фотолюминесценция бvдет подчиняться прави-
лам, ПОll.обным тем, которые в общих 'чертах были описаны в
разделе 1, Б, 6. По-видимому, это ИМf",т М('С'() при условии, что
атом металла не содержит более низких незаполненных атом-
ных орбиталей (т. е. он не является переходным или рел:козе
мельным элементом); в этом случае атом металла ведет себя
подобно инертному или «насыщенному орrаническому атому» и
составляет часть общей циклической системы молекулы. Иноrда
сам орri1.нический peareHT не флуоресцирует. Мноrие реш'енты
и еют rибкие молекулы или содержат rруппы, способные давать
л n-состояния; тоrда появление флуоресценции при образо-
вании хелатной формы с участием атома металла несомненно
обяз3.но образованию жесткой молекулы и (или) пони жен ию
'"
л л-уровня по сравненю с л'" n-уровнем или, возможно,
активации возбужденноrо состоянИЯ типа состояния с перено-
сом за ряда. Если все n-электроны в peareHTe координационно
с язаны с атомом металла хелата, последний не будет иметь
л n-возбужденноrо состояния и это может оказаться причи-
15.
452
r ЛАВА V
ПРИМЕНЕНИЕ В АНАЛИТИЧЕСКОй ХИМИИ
453
измерили ВЫХОД люминесценции для ряда оксинатов и замещен-
ных оксинатов при 80 К. Некоторые из этих результатов для
незамещенных оксинатов приведены в табл. 50. Если не считать
он
I
ссх :7 е...о
'...... ::::-.... I /Н
О
rjтN... M
/G , /
о I о
он
Рис. 179. Некоторые хелатообразующие peareHTbl и флуоресцирующие
хелаты.
A 2-0кси-З-нафтойная кислота; Б бензоии; В 8-0КСIlХИНОЛIlИ; r семикарбазои сали'
ЦИЛО80rо альдеrида; Д саЛИЦИЛИДНII-2-аМIIIIофеIlОЛ; Е 2,2'-ДIlоксиазобензол.
ной образования флуоресцирующих хелатов из некоторых не-
флуоресцирующих peareHToB. Хелаты металлов часто поrло-
щают при более длинных волнах, чем исходный peareHT, поэтому
их возбуждение в присутствии избытка последнеrо облеrчается.
Судя по интенсивному кислородному тушению, люминесценция
борат-бензоиновоrо комплекса (см. раздел У, Ж, 1) имеет чрез
вычайно большое время жизни, и в этом хелатном соединении
состояние л* п, возможно, является низшим возбужденным
состоянием. Возможно, ряд друrих хелатов металлов, до сих пор
считавшихся нелюминесцирующими, в действительности по той
же причине MorYT иметь относительно долrоживущие синrлетные
состояния, и их флуоресценция не проявляется из-за кислород-
Horo тушения. Обычно можно ожидать, что хелаты, имеющие
л* п-возбужденные синrлетные состояния, при низкой темпе-
ратуре в твердЫХ средах будут обладать интенсивной фосфорес-
ценцией, вызванной повышенной эффективностью интеркомбина-
ционной конверсии в триплетное состояние.
Объеl\l книrи не позволяет подробно рассмотреть все флуо-
ресцирующие хелаты, но будет полезно привести некоторые наи-
более типичные примеры. Мноrочисленные литературные ссылки
по люминесценции и ее аналитическому применению можно най-
ти в обзорах Уайта и сотр. [374]. Молекулы орrанических соеди-
нений, образующих хелаты, содержат по крайней мере две
функциональные rруппы, способные дать пару электронов на
образование связи с ионом металла. В процессе возникновения
координационных связей одни rруппы, например С0 2 Н, ОН,
NH 2 , MorYT отдавать протон, друrие, например О, OR, N и т. Д.,
не MorYT. Эти функциональные rруппы должны быть расположе
ны таким образом, чтобы при возникновении координационной
связи с атомом металла образовалась циклическая система,
имеющая по меньшей мере 4 члена, хотя чаще получаются пяти-
или шестичленные кольца. Иrрает роль и размер ионов металла:
для небольших ионов стерический фактор может препятствоваТh
образованию хелата с некоторыми реаrентами. Например, вве-
дение метильной rруппы в положение 2 8-0ксихинолина мешает
образованию трuс-комплекса с АJЗ+, но не с Сr З + или Fe 3 + [375].
Примеры хелатообразующих peareHToB и полученных из них
флуоресцирующих хелатов приве'Lены на рис. 179. Структура
некоторых хелатов полностью установлена. Так, 8-0КСИХИНОЛИН
(В на рис. 179) в ионизованной форме (Q ) соединяется с иона.
ми металла через свои атомы кислорода и азота, образуя обыч-
ные оксинаты. Эти соединения нейтральны; так, формула окси-
ната двухвалентноrо металла MQ2, трехвалентноrо МQз и
четырехвалентноrо MQ4. Мноrие оксинаты, например оксина.
ты переходных металлов, таких, как железо, кобальт, никель,
ш'шь очень слабо флуоресцируют. Бхатнаrар и Форстер [376]
А
о
11
ссх :7 е,
I о
"" '" o/ e
Ph Ph
1 о о I
е/ " / 'ен
\1 в I
е, / " ",.с
I о о I
Ph Ph
LQQ :7\
"'"
N
I
O M
I
Б
Ph
1 о
не"'" 'н
I
е""
1 о
Р"
Ph
'/0
е '\
11 н
1''\
Ph н
.....
в
Q=) :7 \
"'" "-
N
O H
r
ос он O
I e NH2
C",.N,NН'
н
oc O.....M/O
I /C NH2
е"" 'NH
н
д
ОС ! "'N V
"" он. он
(X ...
I A: r
"" 0/1.....0
он
Е
rjтN""N
OH ОН
атомов с очень высокими порядковыми номерами, выходы флуо-
ресценции для ионов металлов с заполненной оболочкой прибли-
зительно равны выходу флуоресценции caMoro аниона. Таким
образом, влияние тяжелоrо атома, по-видимому, не проявляет-
ся, по крайней мере до тех пор, пока не достиrаются высокие
атомные номера (например, свинец дает флуоресценцию и фос-
форесценцию). Было найдено, что выходы флуоресценции хела-
тов всех переходнЫх металлов низки. С оксинатом хрома наблю.
далось «атомное» испускание металла (раздел У, Е, 3), однако
дибромоксинат хрома давал обычное л* л-испускание. При
менения для количественноrо анализа до сих пор оrраничива-
лись измерением флуоресценции в жидком растворе при комнат-
454
r ЛАВА V
ПРИМЕНЕНИЕ В АНАЛИТИЧЕСI<ОП ХИМИИ
455
0,28
0,28
0,043
0,32
0,31
0,30
0,21
0,015
0,013
0,005 а
0,012
0,010
0,0033 6
< 0,0003
< 0,0003
связанных путем образования воды из rидроксильных rрупп.
Подобные эффекты MorYT наблюдаться для хелатов трехвалент-
Horo металла с 2,2' диоксиазобензолом и ero производными [381],
которые также должны иметь один связанный ион OH (см.
рис. 179, Е). Хелаты трехвалентноrо металла с семикарбазоном
салициловоrо альдеrида (рис. 179, F) содержат две связанные
rруппы OH (на рис. 179 не показано) и поэтому должны быть
способны к образованию полимеров с кислороднЫм мостиком.
Очень чувствительный флуориметрический способ определения
скандия основан на применении хелата скандия [384], дЛЯ KOTO
poro предполаrают полимерную структуру [385].
В последней работе приведены примеры каждоrо из трех
способов использования флуоресцентных измерений для опре
деления молярноrо отношения металла в хелате к хелатообра
зующему areHTY. Первый из них это хорошо известный метод
непрерывных вариаций [386], основанный на измерении интен-
сивности флуоресценции ряда растворов, в которых суммарная
концентрация (ион металла + peareHT) одинакова, а отношение
концентраций иона металла к peareHTY варьирует. Максимум
флуоресценции наблюдается в той точке, rде отношение [ион
металла]j[реаrент] в растворе равно такому же отношению в
комплексе. По второму методу [387] измеряется флуоресценция
серии растворов, причем все они содержат ион металла в одина-
ковой концентрации, а концентрация peareHTa варьирует. В точ-
ке, rде отношение [ион металла]j[реаrент] в растворе равно соот-
ветствующему отношению в хелате, наклон полученной кривой
изменяется. По мере Toro как константа диссоциации хелата
увеличивается, наклон вновь уменьшается. В третьем методе
[388] строят две кривые флуоресценция концентрация. В пер-
вом случае ион металла с постоянной концентрацией с реаrи-
рует с меньшими, меняющимися концентрациями peareHTa, а во
втором peareHT с концентрацией с соединяется с меньшими,
меняющимнся концентрациями иона металла. Обе зависимости
линейны, и отношение их наклонов равно молярному отношению
иона металла к peareHTY в хелате.
Таблица 50
Люминесценция оксинатов металлов
при 80 К [376]
(возбуждение светом 366 нм)
Соединение
I Волновое число' j Выход
МКМ 1 люминесценции
Оксин (HQ)
Q
H 2 Q+
Zl1Q2
InQ3
АIQз
CdQ2
Ml1Q2
PbQ2
CUQ2
COQз
CrQ3
FeQ3
NiQ2
2,33
2,06
2,08
1,97
2,00
2,05
1,99
2,02
1,99
1,62 а
2,10
2,07
1,326
а Фосфоресценция.
6 Испускание нона металла.
ной температуре. Оксинаты алюминия, rаллия и индия можно
экстраrировать хлороформом и измерять их флуоресценцию в
этом растворителе [377, 378].
Структура мноrих хелатов металлов точно не установлена.
Так, комплексы алюминия и бериллия с 2 окси 3 нафтойной
кислотой содержат одну молекулу peareHTa на один атом ме-
талла [379], и, вероятно, хелат образуется так, как показано на
рис. 179, А. Однако в водном растворе комплекс бериллия со-
держит, вероятно, еще две молекулы координационной воды,
а алюминия три молекулы воды и rруппу OH . Тот же прин-
цип применим и к хелатам семикарбазона салициловоrо альде
rlf,l.i,a, салицилиден 2 аминофенола, 2,2'-диоксиазобензола и их
производным (рис. 179, r, Д и Е). Салицилиден 2 аминофенол
дает флуоресцирующий комплекс с ионами мНоrих металлов
[380 382]. Этот тест особенно чувствителен к алюминию, и Даr-
налл и сотр. [383] установили, что флуоресцирующий комплекс
алюминия содержит одну молекулу peareHTa на атом алюминия.
Поэтому следовало ожидать, что мономер будет иметь CTPYKTY
ру, показанную на рис. 179, Д, но с двумя молекулами воды, за
вершающими образование координационных связей алюминия.
Авторы предположили, чт() мономер, вероятно, состоит из поли
ЯД pHЫX соединений низкоrо порядка (например, из димера) ,
3. Внутримолекулярный перенос энерzиu
Если ион металла, являющийся частью хелатноrо соедине
ния, не содержит частично незаполненных внутренних электрон-
ных оболочек, то возбужденные состояния, образующиеся при
переходе одноrо из электронов иона металла на более высокую
орбиталь, имеют rораздо большую энерrию, чем :п* :п- и
:п* n-синrлетнЫе и триплетные состояния, соответствующие
переходу одноrо из электронов в орrаническую часть молекулы.
В результате этоrо металлический ион ведет себя практически
456
r ЛАВА \1
ПРИМЕНЕНИЕ В АНАЛИТИЧЕСI<ОП ХИМИИ
457
как «насыщенный орrанический атом» и является лишь одной
из связей, удерживающих различные части молекулы. При об
суждении спектров испускания существенны только л* п-
* '
л n- и друrие состояния, характерные для орrанической ча-
сти, и, хотя обычно эти состояния до некоторой степени измене-
ны процессом хелатообразования, как это описано в предыду-
щем разделе, спектры все еще размыты.
Если, однако, хелат образуется переходнЫМ металлом или
редкоземельнь:м элементом, то появляется ряд новых энерrети-
ческих уровнеи, соответствующих переходам электронов между
a2
А
Б
в
нашел, что растворы бензоилацетоната европия и салициловоrо
альдеrида европия испускают интенсивную люминесценцию, ха-,
рактерную для иона европия, при возбуждении светом, поrло.
щаемым п* полосами хелатов.
В принципе следует ожидать протекания этоrо процесса и
для' переходных металлов, но, поскольку их d-электроны плохо
экранированы от внешних влияний, наблюдается сильное туше
ние люминесценции. В друrих случаях (это относится и к
4f-уровням некоторых редкоземельных элементов) имеются
очеИЬ низколежащие d-уровни и испускание происходит в ин-
фракрасной области (если вообще происходит). В результате
мноrие комплексы перехоДНЫХ металлов, даже те, которые об-
разуются из флуоресцирующих peareHToB, являются слабо
флуоресцирующими или не флуоресцируют вовсе. Однако неко-
торые из них все же дают линию испускания, например хелат
хрома с оксином, который В твердой среде при 80 К испускает
при 1,32 MKM 1 (см. табл. 50). Напротив, 4f уровни редкоземель-
ных элементов хорошо экранированы от внешних влияний.
Следствием этоrо является, во-первых, то обстоятельство, что
люминесценция, соответствующая переходам а --+ а, тушится не
очеНь леrко. Во-вторых, она во MHoroM сохраняет природу атом-
Horo испускания и, таким образом, состоит из узкой линии. На-
конец, испускание может происходить с уровней а, более высо-
ких, чем аl, и заканчиваться на уровнях более высоких, чем
основное состояние. Следовательно, один редкоземельный эле-
мент может давать несколько линий испускания. Если f-уровни
так хорошо защищены от внешних воздействий, возникает во-
прос, почему они MorYT быть заселены интеркомбинационной
конверсией с л* л или л* n уровней. По-видимому, причина
состоит в том, что вероятность такой интеркомбинационной кон-
версии действительно мала. Так, процесс S! --+ а, по-видимому,
не может конкурировать с S! --+ Т! или SI --+ :50, если энерrетиче-
ские уровни расположены, как в случае Б на рис. 180. С друrой
стороны, процесс ТI --+ а происходит, по видимому, потому, что
излучательное время жизни состояния Т! MHoro больше, чем со-
стояния S!. Так, Кросби и сотр. [392] нашли, что хелат диспро
зия с бензоилацетоном имеет линейчатое испускание (что соот-
ветствует случаю В на рис. 180), а хелат диспрозия с дибензоил-
метаном испускание, соответствующее л-электронной полосе
(Б на рис. 180). Если уровень редкоземельноrЬ элемента лежит
выше п* п- или п* n-синr'летноrо уровня, имеется некоторая
вероятность интеркомбинаЦИОНIIОЙ конверсии в противополож
ном направлении. Так, при возбуждении салицилата rадолиния
светом 313 нм ero сине-фиолетовая флуоресценция заметно уси-
ливалась в результате поrлощения света rадолинием (т. е. пере-
хода а +-- а) [393].
..... а 2
al
St St......
" " .................
1 1 "'
Sl
,
,
т.. '",
1 ,
\\ az
"' Q
1
Рис. 180. Энерrетические переходы в хелатах металлов.
А переход на атомные уровнн невозможен; Б флуоресценция тушится (комплексы
переходных металлов с ннзколежащнмн d уровнями); В переход с триплетноrо уровия
и наблюдаемое линейчатое испускание (хелаты некоторых редкоземельных элементов).
различными d- или f-уровнями атома металла. Для мноrих
соединений некоторые из этих уровней обладают меньшей энер
rией, чем синrлетный и даже триплетный п* п и п* n-уров-
ни, поэтому они должны приниматься во внимание при рассмот-
рении испускания люминесценции.
Три общих случая, которые следует рассмотреть, показаны
на рис. 180. На первый взrляд введение иона металла лишь
вводит еще одну, третью систему уровней в дополнение к син-
rлетной и триплетной системам. Очевидно, если самый нижний
уровень атомной системы лежит выше любоrо из самых ниж-
них уровней синrлетной или ТРИIJлетной системы (А на рис. 180),
то следует ожидать, что переходы S! So И Т! So не изме
нятся. С дру ой стороны, если существует атомный уровень,
расположенныи ниже синrлетноrо или триплетноrо уровня (В на
рис. 180), то можно ожидать, что произойдет интеркомбина-
ционная конверсия на уровень а и будет наблюдаться испуска-
ние с этоrо уровня. Этот процесс называют обычно внутримо
лекулярным переносом энерrии (см. также раздел II, Б, 7). ОН
б':>!л впервые продемонстрирован Вейсманом [389 391], который
458
rЛАВА v
ПРИМЕНЕНИЕ В АНАЛИТИЧЕСКОй химиИ
459
Вэн И Кросби [394] предложили классификацию редкозе
мельных элементов по трем rруппам соrласно люминесценции
их хелатов с бензоилацетоном и дибензоилметаном, а именно:
4. Межмолекулярныu перенос энерzии
Перенос энерrии от триплет-возбужденной орrанической MO
лекулы к соединениям редкоземельноrо элемента может опре-
деляться диффузией, т. е. идти аналоrично процессам переноса
энерrии от триплета к синrлету и от триплета к триплету, кото-
рые обсуждались в разделах II, В, 4 и II, [, 2. Так, Эль Сайед
и Баумик [396] показали, что триплетное состояние бензофенона
может отдавать энерrllIO хелатам европ ия с помощью процесса,
определяемоrо диффузиеЙ, а Матович и Судзуки [397] сообщили,
что в ацетофеноне и друrих ароматических кетонах соли peДKO
земельных элементов можно возбудить через растворитель. БОk
лард и Эдвардс [398] изучили концентрационную зависимость
спектров испускания растворов нитратов Sт З +, DуЗ+, ТЬ З + и Еu З +
в ацетофеноне. Полученные результаты они интерпретировали
на основе контролируемоrо диффузией межмолекулярноrо пере
носа энерrии от триплета ацетофенона к редкоземельному иону.
Хеллер и Вассерман [399] нашли, что люминесцентные уровни
ТЬ З + и (или) Еu З + MorYT быть сенсибилизованы переносом энер-
rии, определяемым диффузией, от триплетных состояний 21 аро-
матическоrо альдеrида и кетона в растворе в уксусной кислоте
при комнатной температуре. Тот же принцип использовали
Вайнфорднер и Мак-Карти [400], чтобы сенсибилизовать люми-
несценцию европия, тербия, самария и диспрозия в уксусном
анrидриде (см. раздел У, Ж, 2).
Высокие выходы :Jt* флуоресценции
и (или) фосфоресценции (ср! + \f,,)
Низкие значения (СР, + СРр)
Очень низкие значения (СР, + СРр);
сильное линейчатое испускание.
Элементы первой rруппы не содержат 4f-уровней ниже трип nет-
Horo уровня, и, следовательно, интеркомбинационная конверсия
с триплетноrо уровня невозможна. Элементы второй rруппы 06-
ладают низколежащими 4f состояниями, через которые происхо,
дит размен триплетной энерrии. Авторы отметили rрубую
корреляцию между числом 4f-уровней, на которые может проис.,
ходить переход, и эффективностью тушения люминесценции. От-
сутствие линейчатоrо испускания у этих редкоземельных эле-
ментов оыло приписано безызлучательной дезактивации в
результате вибронноrо взаимодействия с лиrандами и, следова-
тельно, с растворителем. Те члены этой rруппы, от которых
можно ожидать испускания в видимой области, содержат MHoro
близко расположенных уровней, через которые может происхо-
дить эта безызлучательная дезактивация, тоrда как члены тре-
тьей rруппы имеют несколько заметных промежутков, отделяю-
щих уровни испускания от более низких уровней.
Баумик и Тэлк [395] измерили выходы люминесценции и вре-
мена жизни линейчатоrо испускания нескольких хелатов тербия,
вропия и самария в жидких растворителях при комнатной тем-
пературе. Их данные иллюстрируют несколько интересных по-
ложений.
1) Некоторые соединения имеют высокие выходы люминес-
ценции, и интеркомбинационная конверсия на уровни редкозе-
мельных элементов должна быть достаточно эффективной, чтобы
конкурировать с высокой скоростью безызлучательной конвер-
сии, которую испытывают триплетные состояния в жидком pac
творе.
2) Эффект pacTBopeHHoro кис порода незначителен, несмотря
на относительно большие времена жизни люминесценции. (Отно-
сительную устойчивость и большое время жизни возбужденноrо
состояния редкоземельных элементов, по видимому, можно по-
нять на основе 5кранирования 4f-орбиталей внешними электро
намы. )
3) Выход люминесценции некоторых хелатов очень сильно
зависит от растворителя, что может быть связано с химическими
и.:'менениями.
Gd, La, Lu
Pr, Nd, Но, Er, Тт, УЬ
Eu, ТЬ, Dy,. Sm
5. Орzанические соединения, содержащие
неметаллы
Флуоресценцию любоrо орrаническоrо соединения, вообще [о-
воря, можно использовать для определения одноrо из содержа-
щихся в нем элементов. В принципе таким путем можно опре
делить хлор, превратив ero во флуоресцирующий 9 хлорантра-
цен, или азот, превратив ero; скажем, в -нафтиламин. Конечно,
последовательности реакций, необходимых для таких превраще-
ний, настолько сложны, что в обычной аналитической практике
их не используют. Для целей анализа предпочитают простые
реакции, которые протекают с постоянным выходом (лучше Bcero
100% HЫM); при этом следует рассмотреть все механизмы opra-
НИческих реакций, чтобы решить, какие типы реакций MorYT ока-
заться подходящими. Вероятно, это будут реакции с замыка-
нием цикла, приводящие к образованию дополнительной [етеро-
циклической системы. Такие реакции не MorYT служить методом
определения элемента в любом из ero соединений, но позволяют
определить ero в конкретном соединении. Например, реакцию
rидразина с о фталевым альдеrидом или, возможно, с более
460
rЛАВА v
ПРИМЕНЕНИЕ В АНАЛИТИЧЕСRОй ХИМИИ
461
сложным о диальдеrидом можно использовать для определения
азота, содержащеrося в данной молекуле:
Ж. АНАЛИЗ ЭЛЕМЕНТОВ И НЕорrЛНИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИй
1. Прuмененuе быстрой флуоресценции в жидком
растворе
Предложено очень HeMHoro приемлемых методов, основанных
на естественноЙ люминесценции простых неорrанических ионов
в растворе. Люминесценция простых солей редкозf.Мf.ЛЬНЫХ ио-
нов очень слаба, а люми-
несценция уранил-иона
обусловлена, по-видимо-
му, неорrаническими ком-
плексами Toro или иноrо
вида и, следовательно, не
является, cTporo rоворя,
естественной. Подобно
этому флуоресценция ио
на одновалентноrо таллия
в растворе хлорида на-
трия [370] обусловлена,
вероятно, комплексами
хлоридов. Силл и Петер-
сон [371] подробно иссле-
довали флуоресценцию
урана, используя для воз
буждения линию 254 нм
и визуально наблюдая зе
леную флуоресценцию.
Флуоресценция урана в
разбавленной серной кис-
лоте значительно усили-
вается при добавлении Рис.
фтористоводородной или
. фосфорной кислот, при-
чем авторы рекомендуют
0,5 % ную (вес/объем)
концентрацию последних.
Им удалось обнаружить
10 MKr урана в 200 мл ра-
створа. В этих условиях флуоресценцию дают только олово (жел
товато зеленая) и церий (белая). Сильно поrлощающие ионы
действуют как внутренние фильтры и уменьшают интенсивность
флуоресценции. Поэтому нужно или удалить их, или разбавить
раствор, чтобы довести эффект BHYTpeHHero фильтра до приемле
мых пределов. Силл и Петерсон рекомендуют контролировать ре-
зультаты методом стандартных добавок. Они разработали методи-
ки для определения следов урана в туrоплавких материалах. На
н
O /C
11 : + :: U 1 h
"C
н
Ханкер и сотр. [401] предложили флуориметрический метод для
определения азота, связанноrо в виде цианида. Реакцией с хлор-
амином Т синильная кислота была превращена в хлорциан. За-
тем последний реаrировал с никотинамидом, давая продукт с
сильной флуоресценцией в щелочной среде.
Методы замыкания цикла для определения серы и селена во
всех их обычных неорrанических формах были описаны Парке-
ром и сотр. [327, 402]. При наrревании сульфата, сульфита или
друrоrо соединения серы в смеси rипофосфористоЙ кислоты и
HI отrоняется H 2 S, который попадает на небольшой листок филь-
тровальной бумаrи, смоченный ацетатом цинка. Образующийся
при этом сульфид цинка превращают в красный флуоресцирую-
щиj:J :раситель тионин реакцией с кислым раствором сульфата
трехвалентноrо железа и п фенилендиамином;
H 2 N
yNH2 H2N
А,) H 2 S NH2
t
OC N
H 2 N/""'" I 's/v tШ2
Для флуоресцентных измерений Тlонин экстраrировали бутано-
лом. Селен можно определять в виде ВОДНСТО раствора селенис-
той кислоты, которая реаrирует с 2,3-диаминонафталином, давая
сильно флуоресцирующий 4,5 бензопиазселено.'1:
(ХХ 7' NH2 Н S О ОС( 7' :;:7N "-
I + Se
NH 2 N /
""
\>.)
i
i
"':
2
...
g
CI)
:::
:t
460
500 540
мина вo.llHы' НОМ
580
181. Спектрофлуориметрическое
определение урана.
Возбуждение светом 250 нм, выделенным реше-
точным монохроматором с фильтрами хлориым
и ОХ7; ширина полосы анализирующеrо монохро,
матара 6,6 нм; 1 lO 6 М раствор ураиилсульфата
в 0,1 н. серной кислоте; 2 то же, что 1, но с ДО.
бавлением 0,5% (вес/объем) ортофосфорной кисло'
ты; 3 то же, что 2, но без уранилсульфата.
462
r ЛАВА V
ПРИМЕНЕНИЕ В АНАЛИТИчЕСкОй ХИМИИ
463
рис. 181 показаны спектры, иллюстрирующие чувствительность и
специфичность, которые можно получить с помощью спектрофлуо-
риметра, а также увеличение интенсивности при добавлении фос
фор ной кислоты. При использовании обычных лабораторных
peareHToB чувствительность к урану оrраничивается фоном ре-
areHTa и составляет приблизительно 1 0 7 М (0,02 мкr/мл). С очи-
щенными реаrентами можно обнаружить и точно идентифици
ровать по характерной колеба-
тельной структуре спектра содер-
жание урана около 0,002 мкr/мл.
Спектры испускания флуорес-
ценции хелатов металлов обыч-
но размыты, и для строrой иден-
тификации их недостаточно. Поэ-
тому при проведении анализа
стараются подобрать специфич-
ный peareHT и подходящие усло-
вия опыта. Кроме Toro, часто
бывает необходимо отделять ме-
шающие элементы. Флуоресци-
рующие хелаты приrодны для оп-
ределения ряда металлов, напрй-
мер алюминия, rаллия, бериллия,
циркония, тория, rермания, Mar-
ния, цинка, вольфрама, олова,
таллия, ванадия, рутения и т. д.
(см. обзоры Уайта [374]). Для
иллюстрации рассмотрим один
при мер хорошо известное флуо-
риметрическое определение ио-
нов алюминия с помощью 8 OK-
сихинолина. В принципе метод
прост: проводят реакцию при
рН 5 6 и оксинат алюминия
экстраrируют хлороформом для измерения ero флуоресценции.
rаллий и индий также дают оксинаты, имеющие полосы флуо-
ресценции, перекрывающие полосы оксината алюминия
(рис. 182), и Коллат и Роджерс [377] разработали метод для
одновременноrо определения ra.r 'IИЯ и алюминия в смеси. Он
основан на том, что относительная эффективность возбуждения
двух оксинатов при 366 и 436 нм различна (т. е. различны отно-
шения их коэффициентов поrашения при этих длинах волн).
К сожалению, различия недостаточны для очень точноrо опреде-
ления, 11 этим методом особенно трудно определять небольшие
КОЛI;чества одноrо элемента в присутствии rораздо больших KOH
центраций друrоrо.
\.)
:::
1:>
::ж
(.)
:::::ж
1\.>:::
Е:::!"
::::::
:::1\.>
::r
"I\..)
t:!1\.>
:::С).
.c
..
Е:'9-
::ж
(.)
о
:!:
Е:
Q
..............
....
...
" r
,
\
,
,
,
\
\
\
\
\
\
\
\
\
\
\
\
\
,
,
,
\
2,2 2,0 1,8 1,6
Волновое чиС.1l0, M1(.м !
Рис. 182. Спектрофлуориметриче-
cKue определение алюминия [378].
Неисправлеиные спектры испускания
флуоресценции оксинатов, полученных
экстракцией растворов, содержащих 2.5
МНТ металла; А...... ИНДИЙ; Б rаллий;
В алюмииий; r кривая спектральной
чувствительности прибора.
Работа Риса [378] служит хорошим примером достижения вы-
сокой чувствительности флуориметрическоrо метода путем тща-
тельной очистки peareHToB и учета друrих источников заrрязне-
ния. Была поставлена задача определения следовых количеств
алюминия в синтетическом кварце высокой чистоты. Чтобы све-
сти к минимуму фон реатента и случайные заrрязнения, химиче-
ская обработка была по воз-
можности упрощена. rал-
лий и индий не отделяли, од-
нако при возбуждении све-
том 405 нм и измерении
вблизи максимума в спектре
испускания флуоресценции
оксината алюминия rаллий
и индий дали значения, со-
ответствующие всето лишь
15 и 3% веса алюминия. Бы-
ло найдено, что одним из
rлавных источников фона
является фтористо водород-
ная кислота, используемая
для растворения образца, и
peareHT (содержащий ,0,2 ч.
алюминия на миллион) был
переrнан в приборе, полно
стью изrотовленном из пла-'
тины. Очисткой всех осталь-
ных реатентов и примене-
нием только кварцевой или
платиновой аппаратуры
Рису удалось уменьшить
суммарный фон до 0,02 ч.
алюминия на миллион в расчете на образец кварца. Более низ-
ких величин фона для таких распространенных элементов, как
алюминий, кремний, бор и маrний, очень трудно доб ться,
если нужно растворять туrоплавкий или металлическии об-
разец. u
Вопрос о фоне реатента должен быть однои из rлавных про-
блем, стоящих перед химиком аналитиком в промышлеН!fОСТИ
полупроводников, [де существенно содержание примесеи по
рядка нескольких частей на миллиард.
Два следующих примера выбраны с целью иллюстрации
проблем, связанных с разработкой флуориметрических методов
для анализа этоrо типа. Первым примером является определение
следов бора в кремнии высокой чистоты. Флуориметрическая
реакция борат иона с бензоином для определени" бора
2,6 2,4
Волновое
Рис. 183. Спектры испускания флуоре-
сценции борат беизоиновоrо комплекса
и продукта фоторазлолсения бензоина
[404].
Возбуждеиие светом 2,73 MKM I (366 нм); А
0.07 MKr бора перед прибавлеиием бензонна;
Б 0,07 MKr бора в 16.5 мл раствора После
реакции с бензоином; В фон peareHTa пОсле
реакции с бензои!!ом; r раствор В после фо-
тораЗЛDжения; спектры неисправленные; кривая
спектральной чувствительност!! см. кривую r
на рис. 182.
464
rЛАВА v
в количестве от 0,1 до 10 MKr была впервые применена Уайтом
и сотр. [403]. Последующая работа Паркера и Барнса [131, 404]
показала, что с помощью этоrо метода можно добиться значи-
тельно большей чувствительности, но для этоrо следует контро-
лировать целый ряд факторов. Реакцию проводили в водном эта-
ноле, содержащем карбонат натрия. Линия ртути 366 нм
,...,
r.q 75
..,
*- 50
.u
::s
'"
u
25
о
:r:
">
ПРИМЕНЕНИЕ в АНАЛИТИЧЕСКОй ХИМИИ
465
Кислород даже при небольшой концентрации оказывает три
нежелательных эффекта: 1) обратимое тушение флуоресценции
борат-бензоиновоrо комплекса и медленное необратимое разЛО
жение (рис. 185); 2) окисление бензоина с образованием поrло-
щающих продуктов; 3) ускорение фоторазложения бензоина.
Чтобы получить воспроизводимую низкую величину фона, необ
ходим о полностью удалить кислород как из щелочноrо раствора
в
'"
:i
80
:t:
CI>
::t'"
:!: 60
"'CI>
'9-<1>
E 10
d
i:J::S 20
",О
..,
'<>
,
I
I
I
I
I
I I
11 ] .. J L
0.9% Oz
0,9% Oz
O,9%OZ
Ои
20 10 60 80 100 126
Время пОСАе прu6ав.llенu.51 6еНЗОUНQ. м ин
Рис. 185. Обратимое тушение и необратимое разложение борат бензоино-
Boro комплекса в растворе под действием кислорода [131].
Возбуждение светом 405 нм раствора, содержащеrо бор (.0,018 мкr/мл), после реакции
с бензоином; А в токе чистоrо азота; Б то же, но с 0,9 об. % кислорода, периодически
вводимоrо в струю rаза.
2,0 1,8 .мк,м-l
I I I I
350 100 450 500 550 600 нм
Рис. 184. Выбор фильтров для флуориметрическоrо определения бората [404].
A 1 см О,75%-иоrо (вес/объем) раствора иода в четыреххлористом уrлероде и 1 см рас-
твора, содержащеrо 100 r Си (NО,),.З Н,О в 60 мл 1 н. азотной кислоты; Б 1,5 см 1%-нOI'О
(вес/объем) водноrо раствора нитрита иатрия; В 1,5 см 1 %-иоro (весfобъем) раствора
хромата калия в О,05%-ном (вес70бъем) растворе едкоrо натра; T приблизительное спек,
тральное распределение света ртутной лампы (250 вт) (кванты\; комбинация А и Б была
использоваиа для выделения Линии ртути 405 нм для возбуждения; фильтр В достаточно
хорошо пропускал флуоресценцию и задерживал рассеянный возбужцающий свет н рама-
новское испускание растворителя.
бората, так и из этанольноrо раствора бензоина, используя при-
бор, показанный на рис. 86. Бе,НЗОИН следует очистить несколь-
кими перекристаллизациями в темном помещении и растворы
ero хранить в темноте. Равновесие борат бензоин имеет тем-
пературный коэффициент, что приводит к уменьшению флуорес-
ценции на 3 4 % на 1 о С, и, следовательно, кювета должна быть
помещена в термостат. Конечно, необходимы строжайшие предо
сторожнасти, чтобы избежать заrрязнений растворов бором из
сосудов, из peareHToB и т. д. Пар кер и Барнс учли все эти обстоя
тельства и при измерении бора в дистиллированной воде полу-
чили величины «фона», соответствующие 0,003 0,005 MKr бора
в 16,5 мл измеряемоrо раствора (это эквивалентно приблизи
тельно 0,0002 MKr бора на 1 мл раствора). Применение метода
к полупроводниковому кремнию (взятому в количестве 1,5 r),
естественно, требует дополнительных peareHToB, причем предва-
рительная обработка заключается в rидротермическом раЗложе-
нии при высоком давлении [405] и вакуумной опонке в виде
этилбората. Таким путем суммарный фон бы.'! увеличен с 0,005
эффективно возбуждает флуоресценцию, но вызывает быстрое
разложение бензоина с образованием продукта с полосой флуо-
ресценции, налаrающейся на полосу борат-бензоиновоrо комп-
.'!екса, как это показано на рис. 183. Скорость раЗложения при
облучении линей ртути 405 нм была меньше, и, кроме Toro, ис-
пользование света 405 нм имело то пр 'имущество, что эффекты
BHYTpeHHero фильтра из за избытка бензоиновоrо peareHTa и
возможноrо присутствия друrих поrлощающих примесеи были
меНЫl'е. Недостатком является то, что рамановская полоса пе-
рекрывает флуоресценцию борат бензоиновоrо комплекса, одна-
ко зтот источнИ!{ помех можно устранить соответствующим под-
БОр1М BToporo фильтра (рис. 184).
466
rЛАВА v
ПРИМЕНЕНИЕ В АНАЛИТИЧЕСI(Ой ХИМИИ
4G7
ЯСНО, что применение peareHToB, содержащих только одну пару
о диаминоrрупп, позволяет избежать этоrо, и, действительно,
было найдено [327], что 2,3 диаминонафталин является почти
идеальным: соответствую- '"
щий 4,5 бензош;азселенол
(см. раздел У, [, 2) ';'
можно экстраrировать де-
калином или циклоrек
саном из 0,1 н. HCl; он
сильно возбуждается ли
нией ртути 366 нм и дает
(:)
типичный спектр испуска- g.
ния флуоресценции (рис. i5....::
186); показатель чувстви-
тельности флуоресценции
D/H составляет 0,1 при
366 нм по сравнению с g.
0,005 для соединения, по- 2,0 1,8 1,6 1,4 2.0 1,8 1.6 1,4
лученноrо из 3,3'-диами- ВОАновое чиСАО, MKM 1
нобензидина, при опти- Рис. 186. Спектрофлуориметрическое опре-
мальной для Hero линии деление селена с 2,3-диаминонафтали-
б ( 436 ) ном [327].
воз уждения нм. Спектры испускания флуоресценции 4,5 беизопиаз
Чувствительность ли ми- Селеиола в декалиие, иасыщениом воздухом; воз'
тируется фоновой флуо буждеиие при 2,73 MKM I (366 нм); Полуширина по'
. лосы аиализирующеrо моиохроматора 0,025 MKM 1
ресценциеи следов приме- при 2,5 MKM I; А, Б, В и r чистое соедииеиие
сей в 2,3 диаминонафта при концеитрациях 0,0; 0,0053; 0,0106 и 0,0159 мкrfмл;
Б Д, Е, Ж и 3 растворы, полученные из селенистой
лине. лаrодаря пере- кислоты реакцией с 2,3 диаминонафталином и
кристаллизации peareHTa экстракцией декалином, содержащие кОличество
селена, эквивалентное 0,0; 0,0014; 0,0028 и
И выполнению всех оп е- 0,0042 мкrfмл.
раций в темном помеще-
нии ее удалось поддерживать эквивалентной 0,002 MKr селена
в расчете на весь экстракт. PeareHTbI, используемые для рас-
творения 1 r мышьяка или арсенида rаллия, увеличили эту
величину только на 0,006 MKr.
приблизительно до 0,02 MKr. Авторы подсчитали, что обнаруже-
ние достаточно надежно вплоть до значения около 0,03 ч. на
миллион. Эту величину можно сравнить с пределом обнаружения
0,002 ч. на мил.лион при определении бората в воде, rде не тре-
буется никакои предварительной химической обработки. Надо
отметить, что после детальной разработки флуориметрическоrо
метода (использующеrо широкие полосы испускания) для рутин-
Horo применения достаточно иметь простой прибор с фильтром,
как в описанном случае.
Рассмотрим, наконец, чувствительный метод определения не-
металла, например селена. Селен менее широко распространен
и не может присутствовать в качестве посторонней примеси, как
в предыдущем методе. Оказывается, что лимитирующим факто-
ром все еще является фон peareHTa, но «фоновая» флуоресцен-
ция обусловлена теперь иными факторами, а не заrрязнением
селеном. Эт т метод демонстрирует также, каким должен быть
орrаническии реактив, чтобы удовлетворять поставленным тре-
бованиям. ИСХОДН?IМ соединением является 3,3'-диаминобензи-
дин, ПР Д.l0женныи Хосте и rиллисом [406, 407] как колоримет-
рическии peareHT и примененный в качестве флуориметрическоrо
peareHTa Парке ом и Xap eeM [328], которые показали, что реак-
ция с селенистои кислотои может давать два пиазселенола, со-
отношен.ие которых зависит от Относительных концентраций се-
ленистои кислоты и peareHTa:
NH 2 NH 2 Se N
H'N H'Nt6 I "
H,SeO, H,SeO, N y
H'N
I I r I
NH 2 Se N Se N
а
6
с большим избытком 3,3'-диаминобензидина, который исполь
зуется в аналитической методике, образуется лишь мОноселено-
вое соединение. Оно содержит две r;вободные аминоrруппы, яв-
ляется поэтому сильноосновным и экстраrируется из водноrо
раствора орrаническим растворителем только при увеличении рН
раствора. Это усложняет аналитическую процедуру в присут-
ствии таких металлов, rидроокиси которых осаждаюТ(ся в ней-
тральном или щелочном растворе, и требует их удаления или
доб?вления больших количеств комплексообразующих areHToB
котррые должны быть очищены до высокой степени чистоты'
. .,
2. Методы анализа, основанные на вHYTpи и
межмолекулярном переносе энерzии
В противоположность широким линиям испускания, наблю-
даемым для большинства хелатов металлов, испускание неко-
торых редкоземельных ионов состоит из одной или нескольких
узких линий, которые обеспечивают более точную идентифика-
цию. Кроме Toro, время жизни испускания во мноrих случаях
достаточно велико и ero можно отделить при помощи механиче-
CKoro фосфороскопа даже в жидком растворе, насыщенном
кислородом, и, таким образом, по существу вся друrая флуорес ,
468
СЛАВА V
ПРИМЕНЕНИЕ В АНАЛИТИЧЕСКОй ХИМИИ
469
ценция, а также рассеянный свет, рамановское испускание и
фосфоресценция орrанических соединений MorYT быть исклю
чены. До сих пор не сообщалось оприменении фосфороскопа,
однако появился ряд методов, использующих спектрофлуори
метры. Так, Кононенко и сотр. [408] использовал 1,10 фенантро
лин с салициловой кислотой для экстракции и флуориметриче
cKoro определения европия и тербия, а 1,10 фенантролин с Te
ноилтрифторацетоном [409] для определения европ ия и ca
мария.
Боллард и Эдвардс [410] использовали комплексы европ ия
и самария с теноилтр.ифторацетоном и триоктилфосфатом. Они
возбуждали их линиеи 366 нм и определяли квантовые выходы
для испускания европия при 613 нм (0,67) и самария при 597 нм
(0,0093). Они подсчитали, что соответствующие абсолютные
чувствительности (cpD 366 ) составляют 0,114 и 0,0016. Эти pe
зультаты можно сравнить с соответствующими величинами для
некоторых сильно флуоресцирующих орrанических соединений
приведенными в табл. 47. Боллард и Эдвардс применили своЙ
метод для определения европия и самария в rраните при coдep
жании их от 1 до 10 ч. на миллион.
Такетацу и сотр. [366] определили тербий и европий в виде
их карбонатных комплексов, а Альберти и сотрудники для уси-
ления испускания люминесценции растворов самария, европия,
тербия и диспрозия использовали их вольфраматы [367 411]
ил оксалаты [412]. Даrналл и сотр. [413] описали чувств тель
ныи метод для тербия, основанный на образовании комплекса
(1 : 1 : 1) с этилендиаминптетрауксусной кислотой (ЭДТК) и
сульфосалициловой кислотой. Они пришли к выводу, что линей-
чатое испускание тербия возникает блаrодаря внутримолеку-
лярному переносу энерrии с уровня, связанноrо с той частью
молекулы, rде находится сульфосалициловая кислота, и что
ЭДТК защищает ион тербия и координационно связанную с ним
сульфосалициловую кислоту от влияний со стороны друrих
редкоземельных ионов или молекул растворителя.
Мак Карти и Вайнфорднер [400] измерили отношение интен-
сивности линии редкоземельноrо элемента к интенсивности
фона для испускан я в присутствии ряда ароматических карбо-
нильных соединении в уксусном анrидриде, очищенном от кис-
лорода. В табл. 51 приведены peareHTbJ, которые дали самые
высокие отношения.
Мак Карти и Вайнфорднер считают, что увеличение испуска
ния в присутствии сенсибилизаторов обусловлено межмолеку
ЛЯР1iЫМ переносом от триплетных состояний сенсибилизаторов
к ионам редкоземельных элементов. Они нашли, что посторон
ние ионы уменьшают интенсивность испускания, и приписали
этот эффект конкурен ии последних с ионами редкоземельных
Таблица 51
Отношение интенсивности линии
к интенсивности фона для 10 2 М растворов
редкоземельных элементов
в уксусном анrидриде,
содержащем карбонильные соединения
(данные Мак-Карти и Вайнфорднера [400])
Р едко- I
земельный
элеМент
Карбонильное соединение,
. lO 2 М
Отноше-
иие
Sm
Еи
ть
Dy
ВератровыЙ альдеrид
о Толуиловый альдеrид
4, 4' ДимеТОКСIlбензофенон
Анисовый альдеrид
33
28
1100
19
элементов. Поэтому в том случае, коrда система используется
для аналитических целей, авторы рекомендуют при менять метод
стандартных добавок.
Краткая сводка данных (табл. 52) дает некоторое представ-
ление об увеличении чувствительности, которое может быть
получено с помощью внутри или межмолекулярной сенсибили-
зации. Значения предельной чувствительности, приведенные для
растворов хлоридов, получены при возбуждении светом 366 нм,
за исключением хлорида rадолиниЯ, который возбуждался при
250 нм. Значения лишь очень приблизительны и рассчитаны на
основе предположения, что сиrнал, равный 1/10 фона, может
быть обнаружен. Фон обусловлен следами флуоресцирующих
примесей в измеряемом растворе и, естественно, может очень
сильно изменяться от образца к образцу. В связи с этим непо
средственное измерение растворов хлоридов не рекомендуется,
не rоворя уже о том, что недо.статком является и низкая чув-
ствительность.
Наконец, следует упомянуть о применении ЭВМ в анализе
редкоземельных элементов. Стэнлей и сотр. [414] исследовали
возможности общих методоВ анализа смесей таких редкоземель
ных элементов, которые дают измеримое испускание сенсибили:
зованной люминесценции, с использованием вычислительнои
техники при последовательном снятии спектра.
3. Методы анализа, основанные на измерении
тушения
Измерение тушения люминесценции не нашло широкоrо при
менения в качестве общеrо метода определения концентрации
неорrанических тушителей, поскольку оно неспецифично. Кроме
Toro, известнЫ лучшие методы для определения большинства
ПРИМЕНЕНИЕ В АНАЛИТИЧЕСК:Ой ХИМИИ
471
=
о
...
=
""
:;:
""
..
(1)
><
:а
=
,.Q
..
""
:;:
""
'"
о
1:1:
""
1:>.
1>=
==
=
""
..
""
""
1:>.
=
О
:а
о
...
""
:;:
. () . ()
'" t>::
::s
u
1:>. '" '"
= о <5 о
= =
= = g;
'" 00 Е- '" '"
'" со t>:: ::s со
" = t>:: О О t>:: = =
'" '" 1:>.1:>. '" '"
'" '" u "'о u
'" '" '"
" \O
'" = = =
'" 00 ф .1:>. 00 '"
10. o.. "'= ф о.. о..
'-< 5"j: ::s u ::s '"' '"'
о = о = о о о
ф "'о.. '" '" "'1:>. '"
О '" О '" О '" О '"
\O = \O О О
О = = = = '"
= "'1:>. '" 00 000.. О О
е-= = =
о u е-", е-= о о
е. о о о е. е.
,........... .... ,....... ..л... """" ,....... ..л..................
;::
" '" .. .. "' .. '" ., "' '"
о '" ., .... ., ., "' '" ., ....
:;:: I I I I I I I I I I I I I I I I I I
'" .о 00000 00 О О О О О О S о о о о
:;;; ...... ..... ..... ....... ....... ...... ..... ..... ..... ..... ..... ..... ......
10.'" l!:>l!:> t--.C'j C'jC\l C'jC'j<D<D
t: C\I С' ю.....оо
'"
"
"'
,.,
'"
'" C\I
"'1>: О
"" C\I C\I
"'" <D <D
"f", О>
C\I t--. 00" C\I C\I c'j i5 ' l!:> l!:>
1>:" "'1'0> 00t--. "'1' О>
",,,, t--.
:;"' Ф<D l!:> ,l!:> <D l!:> Ф<Dl!:> l!:> ggt--."':OO
"," "';<6 ..,; t--." t--." 00 1616160 l!:>55;1.;1?;
"," 16
"f:1l О> "'1'00 О> C\ll!:> ф....... "'I::f'I r:--.-. "'1'
Q", l!:><D l!:>"'1' l!:> <Dl!:> l!:><Dl!:>l!:> l!:> o ....." "
"" о"':оаа5 ciC'j о t--." ggg@ l!:>t--.O>t--.
\00 16 l!:>l!:> "'1' "'1'
::1:"' фф.....фr:--.-. <D О> О> 00
l!:>l!:>C'j "'1' "'1' l!:><D l!:>"'1' l!:>l!:> "'1' "'1' "'1'
."
,:11"
о",'"
",.о'" 8::1'1:1,.<:>>- 8 ::1 ::1,.<:> 8 ::1 ,.<:> >- 8 >-
"f":; ,.<:> ::1,.<:>
"''''''' (/)ЩСЕ-<О (/)Щ ЩЕ-< (/)ЩЕ-<О Е-< (/)ЩЕ-<О
0..:;"
",,,,
'"
= t>::
00
1:>. t>::0'
... о
о; o
==
::f = '"
=
o о; ==
'" "'0 "'1' 00
'" ;:::- "" u "'1:>.
'" ::f"'1' t-..:' о 0<:[
'-< t--. OO <D o& u
'" I:>.E- Ф '"'
'" ..QC'j
D. <3 о 00 <D o; ""=
Е-о& Е- iJ' :l!OO
1:>. .e- u 00 :JJ ::s
о Е- ::s =
:;i 0..0& 00 00 0;0
Е-о; 5
..::. о; = 1:>. О
Е- О 0& 5 8
o \о ,.Q
1:>. о; E-< \O
j U :в о 00 о I::[ >.
::r:: Е-< j:Q (I'J
неорrанических веществ. Существует, однако, одно вещество
молекулярный кислород, для KOToporo измерение тушения лю
минесценции может стать полезным методом, охватывающим
широкий ряд концентраций. Этот метод особенно приемлем для
определения кислорода в токе инертных rазов, таких, как азот,
aproH и т. д., что чрезвычайно важно в промышленности. По-
этому мы опишем возможности применения метода именно для
этой цели.
Уравнение Штерна Фольмера (раздел II, Б, 2) можно за-
писать так:
""
<::!
;:j"'
::;
'"
IC
<::!
!--.
Тушение, % === 100 (1 FjFo) == 100 (1 1 х ),
(439)
rде
х == kQ1:oSpo, '
( 440)
S растворимость кислорода в растворе, а Р о , парциальное
давление кислорода, находящеrося в равновесии с раствором.
Ясно, что для данной рас- х
творимости и парциаль- 2
Horo давления процент
тушения может изменять-
ся в зависимости от вяз-
кости раствора или вре-
мени жизни люминесци 40
рующеrо вещества. Какие 5
бы величины ни были вы- 60
браны в качестве apry-
мента, кривая тушения бу- 80
дет иметь один и тот же
вид, определяемый ypab- то =IО- В
нением (439), и поэтому lO c
можно построить общую
кривую тушения, которая 10-3
будет соответствовать вы- 10-3
бранной системе при про-
стом изменении rоризон-
тальной шкалы, как пока-
зано на рис. 187.
Вообще rоворя, из
уравнений (439) и (440)
можно рассчитать калибровочную кривую, но на практике зна
чения этих параметров (особенно k Q ) точно не известны, по
этому неоБХОДlfма эмпирическая калибровка при нескольких из-
вестных парциальных давлениях кислорода. Чтобы облеr-
чить выбор систеl\1Ы для Данноrо ряда парциальных давлений,
4
6
о
1,0 2,0
0,02
Жидкое
0,04
0.06 Жидкое
0,04
2.10-5
0,08
4'10-5
0,12 Вязкое
6.10-5 Жидкое
РОа,атм
Рис. 187. Калибровочиая кривая для опре-
деления кислорода по тушению люмине-
сценции.
472
rЛАВА v
nРИМЕНЕНИЕ в АНАЛИТИЧЕСКОй ХИМИИ
473
тельности. В интервале концентраций между двумя упомяну
ТЫ ми диапазонами можно применять смешанные растворители,
соответствующим.. образом подбирая их вязкость. Некоторые
трудности представляет калибровка в диапазоне низких KOHцeH
траций. Один метод состоит во введении небольших известных
количеств кислорода пропусканием струи rаза, очищенноrо от
кислорода, через анод электролизной ячейки. Друrой метод
удаление кислорода из раствора в высоком вакууме (см.
разд. III, И, 2). Интенсивност люминесцен,?-ии измеряется до
и после разбивания запаяннои капиллярнои тр бки, с держа-
щей известное количество возд.уха и помещеннои в ячеику; со-
держание кислорода рассчитывается из относительныuх объемов
rаза и жидкости в ячейке. При измерении замедленнои флуорес-
ценции на спектрофосфориметре в качестве BHYTpeHHero стан:
дарта можно использовать быструю флуоресценцию. rлавнои
проблемой, возникающей в этом методе измерения кислорода,
является фоторазложение, поэтому некоторые системы следует
часто обновлять.
Испускание замедленной флуоресценции мноrих красителей,
адсорбированных на силикаrеле, имеет время жизни, значи-
тельно превышающее 1 мс, и тушение молекулярным кислоро-
дом очень сильное. Так, в случае трипафлавина при давлении
кислорода около 0,5 .10 7 атм происходит 50% -ное тушение за
медленной флуоресценции [415 417]. Полностью непотушенное
испускание такой системы лучше Bcero получить откачиванием
ее до BbIcOKoro вакуума. Калибровка при таких низких концен-
трациях кислорода представляет некоторые трудности. Вместо
интенсивности за меру содержания кислорода можно принять
время жизни замедленной флуоресценции [см. уравнение (71)].
Этот метод применим и для замедленной флуоресценции или
фосфоресценции в растворе, rде время жизни находится в пре-
делах 1 10 мс.
В заключение следует упомянуть, что молекулы снечетным
числом электронов, такие, как окись азота, также сильно тушат
триплетные состояния.
построим шкалу для четырех rипотетических систем. Выберем
два растворителя, для которых S === 5 . 10 3 моль/ (л . атм).
Пусть один из них является типичным жидким растворителем
с kc === 0,5 . 1010 л/ (моль. с), а друrой (например, rлицерин)
вязким растворителем с .k с ==4.10 6 л/(моль,с) при комнатной
температуре (табл. 53).
Таблица 53
Системы для определения кислорода
(растворимость кислорода
S == 5 . 1O 3 моль/(л . атм); k Q == 2. 1010
для жидкоrо растворителя и 1. 107 для
вязкоrо растворителя)
I Время жизии
Растворитель люмии сцеиции,
РО,/Х == l/(k Q 'tOS)
ЖИДКИЙ
ЖИДКИЙ
ВЯЗКИЙ
ЖИДКИЙ
,o 8
,o 8
1O 3
,o 3
1,0
0,01
0,02
10 5
Обычно константа скорости кислородноrо тушения прибли-
зительно в 3 4 раза больше константы, рассчитанной для реак-
ций, контролируемых диффузией [76] [уравнение (80)], поэтому
для удобства мы предположим, что k Q равно 2.1010 и
1.107 л/(моль,с) для жидкоrо и вязкоrо растворителей соответ-
ственно. Затем для люминесценции, имеющей времена жизни,
ПРhведенные во второй rрафе табл. 53, найдем, что величина х,
равная еДинице (50%-ное тушение), соответствует значениям
парциальноrо давления кислорода, которые приведены в третьей
rрафе; таким образом, можно ввести четыре нижние rоризон-
тальные оси для Ро, (см. рис. 187). Поэтому соединение
с обычным временем жизни флуоресценции, например флуорес
цеин, в жидком растворителе приI'OДНО для определения кисло-
рода при высоких парциальных давлениях вплоть до 2 атм или
более. Соединение с крайне долrоживущей флуоресценцией, Ta
кое, КаК пирен (10 6 с), используется при содержании кислорода
в rазе 0 5% при атмосферном давлении. Примерно в тех же
пределах концентраций кислорода можно работать в вязком
растворителе, ес.ЛИ измерять фосфоресценцию или замедленную
флуоресценцию типа Е с временем жизни около 1 мс (пример
эозин). С тем же самым соединением в жилком p::lCTBOpe обна-
ружение rораздС' более чувствительно 1 ч. ЮiСJIорода на мил-
лион ('" 10% Hoe тушение). Люминесценция с большим време-
нем жизни будет давать соответствующее увеличение чувстви-
4. Косвенные методы анализа
Некоторые неорrанические ионы трудно или невозможно пре-
вратить во флуоресцирующее соединение. В таких случаях сле-
дует прибеrать к косвенным методам. Существует два типа
таких методов. В косвенных методах первоrо типа ион может
реаrировать с флуоресцирующим соединением, образуя не-
флуоресцирующие продукты; тоrда мерой концентрации реаrи-
рующеrо иона служит уменьшение интенсивности флуоресцен-
ции. Такие методы относят иноrда к «методам тушения»,
474
tJ1A13A V
ПРИМЕНЕНИЕ В АНАЛИТИЧЕСl(0l1 химии
475
земель, например, в вольфрамате кальция. Люминесценция
мноrих неорrанических фосфоров очень чувствительна к при-
меси «тушителя», что используется как метод анализа. Напри-
мер, хром был определен по ero тушащему действию на люми
несценцию шарика из фтористоrо натрия, активированноrо
ураном, после поrруже- :::
ния ero в раствор хрома
и плавления [425]; следы
:t
меди, серебра, ртути и
платины были обнаруже
ны по их влиянию на лю- "
"
минесценцию фосфора...
сульфида кадмия, активи- Е
pOBaHHoro серебром [426]. Е
Нео р rанические фосфоры
;:х"
наиболее широко приме '-'
няются в аналитической '1)
r::
практике для определения
урана по характерной
флуоресценции, появляю-
щейся при сплавлении
следов элемента с фтори-
стым натрием; минималь
но обнаружимое количе-
ство 1 0 11 r [427, 428].
Применение методов
с непосредственным воз-
буждением кажется Becь
ма интересным, так как
при растворении прозрач-
ных материалов, таких,
как кварц или кристал-
лическая окись алюми
ния, во,шикают трудности, связанные с появлением фона от
растворителей.. Так, хром в рубине опредещIЛИ по ero люминес
ценции [429], а люминесцчрующие areHTbI в некоторых кристал
лических лазерных материалах MorYT быть непосредственно оп-
ределены после анализа стандартных образцов друrими MeTO
дами. Наблюдение люминесценции плавленоrо и синтетическоrо
кварца может дать точные указания о присутствии некоторых
примесей. Оказывается, большая часть сине фиолетовоrо. испу
скания плавленоrо кварца, возбуждаемоrо светом с длинои вол
ны 250 нм, обусловлена присутствием следов алю иния (см.
рис. 85). ОДhако количественная интерпретация такои люминес-
ценции требует большой осторожности, поскольку ее интенсив:
ность и спектральное распределение зависят отпредварительнои
но в cTporoM смысле, определенном в разделе III,3, 1, процесс не
является тушением ф.'1уоресценции. Один из ионов, для которых
до сих пор нет прямых фЛуОрИМt::трических методов, это ион
фтора. Именно для Hero мо;. :Н(, Прl" \Ложить удобные косвенные
методы. Мноrие пробы основ, . ',1 Нд образовании неионизован
ных или нерастворимых ко"пле,(сов (j.Т]ЮМИНИя и иона фтора.
Алюминий взаимодействует с орrаническим peareHToM, давая
флуоресцирующий компл.:кс, 3 в присутствии иона фтора ин-
тенсивность флуоресценции понижается: Были использованы та-
кие peareHTbI, как комплексы алюминия с кверцетином [418],
морином или 8-0КСИХИНОЛИНОМ [419], красителем ализариновым
[ранатовым [420], на который фосфаты не оказЫвают влияния.
Описан также метод [418], основанный на использовании комп
лекса торий кошениль. Для определения заrрязнения воздуха
ионами фтора используются полоски бумаrи, пропитанные окси-
натом МaI'НИЯ [421].
В косвенных методах BToporo типа определяемый ион реаrи-
рует снефлуоресцирующим хелатом с образованием TaKoro
Продукта, который или сам флуоресцирует или может быть пре-
вращен во флуоресцирующее вещество. Будучи переходным
элементом, палладий образует нефлуоресцирующий (и paCTBO
римый в воде) хелат с 8 оксихинолин 5 сульфонатом. Он дает
также комплексный ион с цианидом, и в присутствии последнеrо
эквивалентное количество орrаническоrо комплекса палладия
подверrается диссоциации. Образующийся сульфонат оксина
соединяется затем с маrнием, давая флуоресцирующий хелат
последнеrо [422]:
Pd (OXS)2 + 4CN 20xS + Pd (CN) , (441)
(Нефлуоресцирующий)
20xS + Mg2+ Mg (OxS )2'
(Флуоресцирующий)
Подобные реакции идут и с сульфидным и с тиоцианатным
ионами. Известен также метод [423], основанный на образова-
нии флуоресцирующеrо красителя из хелата тория с сульфат-,
фтор- и фосфат иОнами. Более специфичный метод для фосфат-
иона описан Мин сом [424]. Фосфат превращают в фосфомолиб-
деновую кислоту, которая реаrирует с тиамином визобутаноле,
давая флуоресцирующий тиохром.
( 442)
5. Неорzанuческuе вещества 8 кристаллах
u стеклах
О люминесценции nОJ1икристаллофосфоров под влиянием
некоторых неорrанических «активаторов» упоминалось в раз
деле У, Д, 1. Она была использована для определения редкиХ
420 460
ДАина волны, н.м
Рис. 188. Влияние содержания меди на
люминесценцию синтетическоrо кварца.
Возбуждение светом 250 им, выделенным из ртут,
НОЙ лампы решеточным монохроматором с филь..
трами ОХ? и хлорным; ширина полосы aI!ализи-
рующеrо монохроматора 3,3 11М; 1 чистыи обра-
зец; 2 образец, содержащий О, 1.з.l0 4 % спе,
циально введеиноiI меди; 3 образец. содержа.
щий 0.15.10 4% меди в качестпе привнесеиноrо
заrрязнеIIИЯ; относительные чувствительности при
записи спектров: 70, 1, 8; максимум ПОЛОСЫ u коМ.
бинациоивоrо рассеяния эталона, измеренион при
той же чувствительиости, что и кривая 3, прибли-
зиТельно иа 50% выше, чем максимум кривой 3;
максимум при 500 им на кривой 1 обус.iIОВ lep.
возбуждающим рассеянным светом во ВТОIЮ
порядке дифракции.
476
rЛАВА v
ПРllМСШ:ШllЕ В АIIАЛ!!ТИЧЕСКОI'I ХИМИИ
477
3. ДАЛЬНЕйШИЕ ПЕРСПЕКТИВЫ
условия, скажем, использование необычных растворителей сме-
сей растворителей или твердЫХ полимеров, либо, возможн , ад-
сорбция на особой поверхности или на полимерных молекулах
необычноrо типа в растворе (см., например, исследования Осте-
ра и сотр. [430 432] по адсорбированным красителям). Кроме
этоrо, имеется несколько хорошо известных явлений, которые
пока еще мало использовались в аналитической практике. При-
мером может служить внешнее влияние тяжелЫх атомов, KOTO
рое недавно было использовано [(андером при измерениях как
фосфоресценпии [433], так и флуоресценции [434]. Можно упо-
мянуть также о применении фотохимических реакций для соз-
дания новых люминесцирующих веществ. Необычные каталити
ческие эффекты, особенно использование ферментов, также мо-
[ут быть интересным предметом дальнейшеrо исследования.
Полный анализ сложной смеси, состоящей из компонентов
с перекрывающимися спектрами возбуждения и испускания
люминесценции, в принципе можно осуществить, измеряя спект
ры испускания смеси, возбуждаемые большим числом длин
волн. Применение таких измерений для определения числа ком-
понентов сложных смесей рассмотрено Вебером [435]. Он
представил результаты в виде матрицы т Х п, в которой столб-
цы т определяются длинами волн возбуждения, а ряды п
наблюдаемыми длинами волн. Матричные элементы представ-
ляют собой числ а, пропорциональные показанию детектора.
В общем, paHr матрицы дает число компонентов в системе,
имеющих различные спектры поrJ1Ощения и флуоресценции. Ве-
бер применил этот метод к одно- и двухкомпонентным смесям.
По-видимому, с использованием ЭВМ метод может стать мощ
ным орудием для исследования сложных смесей неизвестных
люминесцирующих компонентов. Однако последовательная за
пись полных спектров является трудоемким делом, и Шахтер
и Хенни [436] описали иной подход к этой проблеме. В их ме-
тоде монохроматоры возбуждения и испускания сканируются
одновременно и их сиrналы подаются на осциллоrраф. Вдоль
оси Х меняется длина волны испускания, вдоль оси У длина
волны возбужденчя, а пучок электронов отпирается только
тоrда, коrда интенсивность испускания достиrает заранее вы-
браннorо значения. В результате этоrо на экране возникает
«флуороrрамма», или некий контур, соответствующий данному
уровню интенсивности. Затем комбинация флуороrрамм, соот-
ветствующиХ нескольким уровням интенсивности, преобразуется
в трехмерную модель, или «стереофлуороrрамму», которая от-
ражает все три спектральных параметра. Шахтер и Хенни при-
менили эту методику к полиядерным ароматическим уrлеводо-
родам и предложили использовать ее для получения «отпечат-
ков пальцев» чистых соединений. [(енным усовершеJlствованием
тепловой обработки материала. По видимому, примесь Toro
или иноrо элемента может располаrаться в различных участках
матрицы. Так, введение меди в синтетический кварц вызывает
зеленую люминесценцию, причем интенсивность и спектральное
распределение последней MorYT значительно варьировать для
разных образцов с тем же самым содержанием меди, как это
показано на рис. 188.
Из всех экспериментальных фотолюминесцентных методов
наиболее широко применяется измерение быстрой флуоресцен-
ции в жидком растворе при комнатной температуре. Этот метод
является простым и быстрым, а имеющееся в настоящее время
оборудование обеспечивает высокую эффективность и чувстви-
тельность во всех областях спектра. Если бы удалось создать
источник света, дающий достаточно интенсивный непрерывный
спектр ниже 250 нм, то в этой спектральной области можно
было измерять спектры возбуждения очень разбавленных рас-
творов. Определенные преимущества измерения флуоресценции
и фосфоресценции при низкой температуре находят все более
широкое призна!,ие, и в ближайшие [оды область применения
таких измерении должна расшириться. Долrоживущая люми-
несценция в жидком растворе пока еще применяется редко, и
анализ следовых количеств по сенсибилизованной замедленной
флуоресценции при концентрациях, которые низки, но ДOCTa
точны для тушения долrоживущих триплетных молекул, имеет
большие перспективы. Улучшение BpeMeHHoro разрешения фос-
фориметра или усовершенствование друrоrо простоrо оборудо-
вания для разрешения люминесценции с временем жизни
1 0 6 1 0 4 С должно обеспечить дополнительные возможности
например, для использования анниrиляционной замедленноЙ
флуоресценции относительно короткоживущих триплетов.
Можно ожидать, что измерение поляризации люминесцен-
ции, применяемое вплоть до недавнеrо времени редко и лишь
для специальных целей, будет все более широко осваиваться
и применяться, например, для установления различия между
перекрывающимися спектральными полосами или для снижения
фона рассеянноrо света, а также для исследования тонких эф-
фектов, обусловленных переносом энерrии и молекулярным
вращением. Можно ожидать открытия необычных сред или спе
циальнь:х условий, дающих дополнительные различия в тех или
иных ситуациях. Мы видели, что в случае определенных веществ
использование некоторых кристаллических растворителей при
низкой температуре может дать чрезвычайно резкие спектры
ИС:lускания и, несомненно, MorYT быть найдены друrие особые
А Коэффициент пропорциональности
lA, 'В и т. д. Молекулы А, В и т. д. В синrлетном основном состоянии
lA*, 'В* и т. д. Молекулы А, В и т. д. В первом возбужденном синrлетном
состоянии
ЗА, ЗВ и т. д. Молекулы А, В и т. д. В нижнем триплетном состоянии
А пт Эйнштейновская вероятность спонтанноrо испускания
А и Площадь источника света
Av Площадь изображения источника света
А Частотный множитель
а Радиус молекулы
В, Ву Относительная ширина полосы при постоянной ширине щели
В тп Эйнштейновская вероятность поrлощения
В пт Эйнштейновская константа вынужденноrо испускания
с Концентрация
Ch Концентрация, соответствующая «половинному эффекту»
с Скорость света в вакууме
D, D л Оптическая плотность
D А' D в и т. д. Коэф ициенты диффузии
d Высота дисперrирующеrо элемента
d, d 1 , d 2 Толщина слоя, флуоресценция KOToporo реrистрируется
Е Количество энерrии
/1Е Разность энерrий
E R Энерrия отталкивания молекул в основном состоянии
Е s Энерrия первоrо возбужденноrо синr летноrо состояния
dEjd').. Энерrия, испускаемая за секунду в единичном интервале длин
волн
Е Вектор напряженности электрическоrо поля
F Апертура монохроматора
F Измеряемая интенсивность флуоресценции
f Коэффициент активности
f Фокусное расстояние объектива монохроматора
r Доля основной формы вещества
f D Спектр испускания флуоресценции донора, нормированный на
единичную площадь
Интенсивности испускания димера и мономера в изобестиче-
ской точке
Свободная энерrия по rиббсу
Мультиплетности OCHoBHoro и возбужденноrо состояний
«Полуширина» полосы спектра испускания
Теплосодержание (энтальпия)
/1Н* Теплоты образования в основном и в возбужденном состоя-
ниях
Теплота образования возбужденноrо димера
Постоянная Планка (6,624. 10 27 эрr . с)
Высота щели
Интенсивность света
478
rЛАВА v
было бы пепосредственное соединение этоrо прибора с ЭВМ
так, чтобы интенсивности, соответствующие большому числу
комбинаций длин волн возбуждения и испускания, можно было
записывать и быстро анализировать по методу Вебера. Исследо
вание сложных смесей было бы тоrда значительно облеrчено.
Перед химиком-аналитиком часто встает проблема анализа
малых образцов, а биохимику может понадобиться определить
состав отдельных частей живых клеток. Для этих целей может
оказаться перспективным применение микрофлуоресцентной или
микрофосфоресцентной спектрометрии. Олсон [437], например,
описал прибор, состоящий по существу из комбинации микро
скопа со спектрофлуориметром, и применил ero для изучения
фотохимии живых клеток и спектральных изменений, происхо-
дящих во время излучения. Лёзер [438] использовал подобное
устройство для измерения спектров флуоресценции хлорпрома
зина в отдельных живых клетках и для изучения флуоресценции
акридиновоrо оранжевоrо, резерпина, тетрациклина, ropMoHoB
и т. д. В микрообразцах. Подобные методики можно применить
для измерения очень небольших объемов раствора или по
рошкообразноrо образца как орrаническоrо, так и неорrаниче-
cKoro происхождения.
Ясно, что при работе с микроколичествами лазер как ис
точник возбуждения имеет преимущество, поскольку обеспечи
вает концентрацию большоrо потока возбуждающеrо света на
очень малую площадь. Фотохимическое разложение, несомнен-
но, создаст трудности, но при работе в твердой среде при низ
!шй температуре они Mor)'T быть сведены к минимуму. При ис
следованиях несколько б6льших образцов лазер можно исполь
ЗCJвать для получения "световых потоков, достаточно больших,
чтобы даже в случае короткоживущих триплетов можно было
наблюдать анниrиляционную замедленную флуоресценцию.
Мощные лазеры позволяют возбуждать фосфоресценцию и за
медленную флуоресценцию при триплет-синrлетном поrлощении
(см., например, работы [439, 440]). Уже имеются лазеры, даю
щие излучение при нескольких длинах волн в ультрафиолетовой
области, и быстрый проrресс в лазерной технолоrии позволяет
рассчитывать на широкое использование их в качестве источ-.
ников возбуждения во мноrих областях исследования и приме.
нения фотолюминесценции.
. l
fb, f M
а
gl, gи
Н
Н
/1Н,
/1Н А
h
h
1
ОБОЗНАЧЕНИЯ
480
l А
ОБОЗНАЧЕНИЯ
lа
l DP
l;р, l;р
lр
111' 1.1
l Л
i,X, iy
ia, id
J
К, К*
К
К' и К"
(К')*
K 1 , К 2 , КЗ
Кс
К.
k
k
k
k (с индексом)
L, Lv
1La. 1Lb
1
М
т
т f ,
N
N
n
n
n
р
Р, Pv
Pss'
т s
,
Ре
Р !
Ро
РО 2
Р (с индексом)
Q
Q
Prs
Скорость поrJ10щения света (квант/с) в объеме l см 3 (! оп-
тическая толщина слоя)-
Скорость поrлощения света [эйнштейн/ (л. с)]
Суммарная скорость испускания замедленной флуоресценции
Скорости испускания замедленной флуоресценции при взаимо-
действии одинаковых и неодинаковых триплетов
Скорость испускания фосфоресценции
Интенсивность вертикально и rоризонтально поляризованноrо
света
Интенсивность источника сплошноrо спектра при длине вол-
ны 'л [эйнштейн/ (с' нм) на единицу телесноrо уrла]
Сиrнал фотоумножителя при попадании на Hero вертикально
или rоризонтально поляризованноrо света
Переменная и постоянная составляющие тока
Интенсивность монохроматическоrо света от источника линей-
чатоrо спектра (эйнштейн/с на единицу телесноrо уrла)
Константы равновесия в основном и возбужденном состояниях
Коэффициент пропорциональности
Константы, ВХОДЯЩИе в выражение для отношения суммарных
эффективностей испускания димеров и мономеров
== k 1 /k 2
Константы, входящие в выражение для отношения эффектив-
ностей замедленноrо испускания димеров и мономеров
Константа равновесия образования комплекса
Константа тушения (Штерна Фольмера)
Эффективное сечение поrлощения света молекулой
Коэффициент пропорциональности
Постоянная Больцмана (1,3805. 10 16 эрr/rрад)
См. обозначения констант скорости
Коэффициент пропускания монохроматора
Нижние возбужденные синrлетные состояния ароматических
уrлеводородов (в обозначениях Платта)
Оптическая толщина
Молярность/
Линейная дисперсия монохроматора (мм/нм)
rлубина модуляции флуоресценции и возбуждающеrо света
Число Авоrадро (6,023. 1023 моль l)
Предэкспоненциальный множитель
r ЧИСJ10 молекул
Показатель преломления
Орбиталь неподеленной парь!
Дипольный момент
Ток фотоумножителя в расчете на один квант
Наблюдаемые интенсивности фосфоресценции при возбужде-
нии в полосах псrлощения SI +--So И Т 1 +--So
Степень поляризации
Измеряемая степень поляризации
Кажущаяся степень поляризации
Степень поляризации пучка возбуждающеrо света
Предельная поляризация
Парциальное давление кислорода
См. обозначения вероятностей
Тушитель возбужденноrо синrлетноrо состояниЯ
Скорость испускания флуореСII.енции
dQ/dv
ОБОЗНАЧЕНИЯ
481
q, ql' q2
R
R
Rc
R M , R D
Rv
R
RII' R1.
, ,
RII' R 1.
r
S
S
f1S.
So, SI И т. д.
S;..
Sv
s
Т
Т
Т 1, Т 2 И т. д.
Т;..
Т АЛ
т
t
и
и'У
V
v
W
W, WI, W2
Х
Х
k l
k з
kd
ke
kf
16 Зах.. 1281
Скорость испускания (в эйнштейнах за секунду в единичном
интервале волновых чисел)
Тушители триплетноrо состояния
Показание реrистрирующеrо прибора
Отношение скоростей мономолекулярноrо и бимолекулярноrо
исчезновения триплетов
Критическое расстояние переноса энерrии
Суммарные скорости заселения возбужденных состояний ди-
мера и мономера
Показание прибора при ero установке на волновое число v
rазовая постоянная
Показания прибора, соответствующие вертикальной и rоризон-
тальной составляющим флуоресценции при возбуждении вер-
тикально поляризованным светом
То же при возбуждении rоризонтально поляризованным све-
том
Радиус молекулы
Энтропия
Растворимость
Энтропия образования возбужденноrо димера
Основное и возбужденные синrлетные состояния
Спектральная чувствительность комбинации монохроматор +
+ фотоумножитель, выраженная в относительных единицах
интервала длин волн на квант
То же, но в относительных единицах интервала волновых чи-
сел на квант
Высота источника света
Нижнее триплетное состояние
Относительное пропускание монохроматора для вертикально и
rоризонтально поляризованноrо света
Пс.рвое, второе и т. д. триплетные состояния
Световой поток, прошедший через монохроматор, от монохро-
матической линии с длиной волны 'л (эйнштейн/с)
Световой поток от источника сплошноrо спектра, прошедший
через монохроматор, в полосе шириной !1'Л (эйнштейн/с)
Абсолютная температура
Время
Расстояние от линзы до предмета
Ilлотность излучения
Молярный объем
Расстояние от линзы до изображения предмета
Постоянная прибора
lllирина щели монохроматора
Доля света, поrлощенноrо в слое толщиной 1 см
Доля вещества, диссоциирующая до испускания флуоресцен-
ции
.т
Константы скорости реакций пepeozo порядка
Реакция возбужденной кислоты с водой
Реакция возбужденноrо основания с вОДой
Диссоциация электронно-возбужденноrо димера
Интеркомбинационная конверсия Sl +- T 1 ,. обусловленная тер.
мической активацией
Испускание флуоресценции
482
ОБОЗНАЧЕНИЯ
kf
k'
,.
k'
f
kg
k'
g
kga
kh, k}
k
k m
k n
k'
n
k'
n
ko
k
kp
k,
ks
kv
k 2
k4
k A
ka
ka
kb
ke
ka
k Q
,
k q , kq
kx
РАА
Оа
Флуоресценция кислоты
Флуоресценция основания
Флуоресценция димера
Интеркомбинационная конверсия 81 --+ Т 1
Интеркомбинационная конверсия 8 n --+ Т n
Интеркомбинационная конверсия T 81
Брутто-константы первоrо порядка процессов исчезновения три-
плетов
Предельное значение константы скорости k h при низкой темпера-
туре
Интеркомбинационная конверсия Т 1 --+ 80
Внутренняя конверсия 81 --+ 80
Внутренняя конверсия 8n --+ 8n 1 или Т n --+ Т n 1
Дезактивация возбужденноrо димера в результате безызлучатель-
Horo процесса
Безызлучательная дезактивация возбужденноrо синrлетноrо состоя-
ния кислоты
Безызлучательная дезактивация возбужденноrо синrлетноrо состоя-
ния основания
Испускание фосфоресценции
Превращение продукта триплет-триплетной анниrиляции в продукты,
отличающиеся от синrлет-возбужденноrо мономера
Превращение продукта триплет-триплетной анниrиляции в синrлет-
возбужденный мономер
Реакция риплета с растворителем
Константы скорости реакций 8TOPOZO порядка
Реакция возбужд нноrо основания с НзО+
Реакция возбужденной кислоты с OH
Ассоциация возбужденноrо мономера с мономером в основном со.
стоянии
Реакция возбужденноrо основания с кислотой
Брутто-константа исчезновения триплетов в процессах BToporo по-
рядка
Реакция возбужденной кислоты с основанием
Диффузионная константа скорости, рассчитанная по уравнению
kc == 8RT /300011
Тушение триплета молекулой в основном состоянии
Тушение синrлета растворенным веществом Q
Тушение триплета растворенным веществом q
Образование продукта Х при триплет-триплетной анниrиляции
Вероятности
Вероятность образования 1А* в результате всtречи двух триплетов
соединения А
Вероятность образования синrлет-возбужденной молекулы в резуль-
тате анниrиляции двух одинаковых триплетов
ОБОЗНАЧЕНИЯ
483
Ре Вероятность образования синrлет-возбуждеНIIОЙ молекулы в резу.1JЬ-
тате встречи двух одинаковых триплетов
PDA Вероятность образования 1А * в результате встречи триплетов соеди-
нений D и А
Ре Вероятность образования 3А в результате встречи 1А и 3D
P Доля тушащих встреч 'А и 3D, которые приводят к образованию 3А
Поляризуемость
Уrловая дисперсия монохроматора
Постоянная Биркса (отношение скоростей образования возбужден-
Horo димера и возбужденноrо моно мера при взаимодействии три-
плетов)
Уrол между осцилляторами поrлощения и испускания
Степень деПОЛЯРИqации
8, 8' Молярный коэффициент поrашения (экстинкции)
8 SS' 8 т S Молярный коэффициент поrашения для полос поr лощения 8, +- 80
и Т1+-80
Сдвиr фаз между флуоресценцией и возбуждающим светом
Вязкость
«Предельное значение» текучести при высокой температуре
Уrол между переходным моментом и вектором напряженности элек-
трическоrо Поля
Суммарная эффективность анниrиляционной замедленной флуорес-
ценции (замедленной флуоресценции типа Р)
8 А и Т. д. Эффективность анниrиляционной замедленной флуоресценции веще-
ства А и т. д.
Эффективность замедленной флуоресценции, обусловленной взаимо-
действием между одинаковыми триплетами
То же при взаимодействии между неодинаковыми триплетами
Ориентационный множитель
Длина волны
Частота
Волновое число
Тип орбитали
Время вращательной релаксации
Тип орбитали
Расстояние встречи
Отражательная способность
Время жизни
Время жизни триплета соединения А
Время жизни возбужденноrо димера при бесконечном разбавлении
Время жизни замеДJlенной флуоресценции
Время жизни мономера при бесконечном разбавлении
Время жизни в отсутствие добавок тушителя
ИзлучатеJlьное время жизни триплетноrо состояния
Излучательное время жизни синrлетноrо состОяния
L TS Времена жизни замедленной флуоресценции, возбуждаемой при по-
rлощении в полосах переходов 81 +-80 и Т 1 +-80
Время жизни триплета
Квантовая эффективность фотохимической реакции
Суммарные эффективности люминесценции димера и мономера
Азимутальный уrол между осью молекулы и направлением наблю-
дения
а
а
а
р
б
s
'1')
1/110
8
8
8'
8"
л
'v
V
n
р
(J
(J
(Jv
't', 't"
А
't'A' L
't'D
't'DF
't'0
М
't'o
't'R
't',
't'ss>
't't
Ф
ФD' фм
q>
16-
484
ОБО3НАЧЕНЩI
ОБЩЛЯ ЛИТЕРАТУРА
q>
<р, <р'
q> А и т. д.
<Ре
<Р,
<p
,
<ро' <ро
<Рр
q>t
(о
Эффективность быстрой флуоресценции или фосфоресценции
Эффективности флуоресценции кислой и основной форм
Эффективность флуоресценции веществ А и т. д.
Эффективность замедленной флуоресценции типа Е
Эффективность быстрой флуоресценции
То же в отсутствие добавок тушителей
Эффективность флуоресценции кислой и основной форм в сильно-
кислом И в сильнощелочном растворах соответственно
Эффективность фосфоресценции
Эффективность образования триплетов
Уrловая скорость модуляции
Berlmaп В. 1., Handbook оУ Fluorescence Spectra of Aromatic Molecules, Аса-
demic Press, New York 1965.
Boweп Е. J., The Chemical Aspects оУ Light, Clarendon Press, Oxford, 1946.
Boweп Е. J., Wokes Р., Fluorescence оУ Solutions, Longmans, Green апd Со.,
Lопdоп, 1953.
Калверт Дж., Пuттс Дж. Фотохимия, «Мир», М., 1968.
Daпiels Р. (ed.), Photochemistry in the Liquid and So1id States, John Wiley and
Sons. Inc., New York. 1960.
Ellis С., Wells А. А., The Chemical АсНоп of Ultraviolet Rays, Rеiпhоld РиЬ-
1ishing Corporation, New York, 1941.
Forster Th., Fluoreszenz Organischer Verbindungen, Vandenhoeck und Ruprecht,
GБШпgеп, 1951.
aarlick а. Р. J., Luminescence, Handbuch der Physik, Vol. 26, Sрriпgеr
Vеrlаg,
Ber1in, 1958.
Hercules D. М. (ed.), Fluоrеsсепсе апd Phosphorescence Analysis, Interscience
Publishers, Iпс., New York, 1966.
Kallmaп Н., 5pruch а. М. (eds.), LU111iпеsсепсе of Organic and Inorganic Ма-
terials, John Wiley апd Sопs, Inc., New York, 1962.
l(онстантuнова-ШлеЗUН2ер М. А., Люминесцентный анализ, Физматrиз, М.,
1961.
Levereпz Н. W., Luminescence оУ So1ids, Сhарmап апd НаН Ltd., London, 1950.
McElroy W. D., alass В. (eds.), Light апd Llfe, The Johns Hopkins Press, 1961.
Murrell J. N., The Theory оУ the Electronic Spectra оУ Organic Molecules, Ме-
thuen апd Со., Ltd., London, 1963.
Noyes W. А., Jr., Hammoпd а. 5., Pitts J. N., Jr., Advances in Photochemistry,
Interscience Publishers, Inc., Ne\V York, Vol. 1 (1963), Vol. 2 (1964), Vol. 3
(1964), Vol. 4 (1966).
Passwater R. А., Guide to the Fluorescence Literature, Рlепиm Press, New York,
1967.
П РИН2С2ей),! П., Флуоресценция и фосфоресценция, ИЛ, М., 1951.
Radley J. А., araпt J., Fluorescence Analysis in Ultra-violet Light, 4th еdШоп,
Chapman and НаН Ltd., London, 1954.
Рао Ч. Н. Р., Электронные спектры в химии, <,Мир», М., 1964.
Рид С., Возбужденные электронные СОСТОЯIТия в химии И биолоrии, ИЛ, М.,
1960.
Юденфренд С., Флуоресцентный анализ в биолоrии и медицине. «Мир», М.,
1965.
White С. Е., Weissler А., in «Handbook of Analytical Chemistry», ed. Ьу Mei-
tes L., McGraw-Нill, 1964.
Zahlaп А. В. (ed.), The Triplet State, Beirut Simposium, Cambridge University
Press, Cambridge, 1967.
Reactivity оУ the Photoexcited Оrgапic Molecule, Proc. 13th СопУ. оп Chemistry,
6r\..lssels, 1965, Interscience Publishers, Iпс., New York, 1967.
ЛИТЕРАТУРА
481
ЛИТЕРАТУРА
38. Williams R., J. Chem. Phys., 28, 577 (1958).
39. Steveпs В., Huttoп Е., Porter О., Nature, 185, 917 (1960).
40. F6rster Th., Kasper к., Z. Elektrochem., 59, 977 (1955).
41. Steveпs В., Huttoп Е., Nature, 186, 1045 (1960).
42. Steveпs В., Huttoп Е., Spectrochim. Acta, 18,425 (1962).
43. Parker С. А., Hatchard С. О., Nature, 190, 165 (1965).
44. Вirks J. В., Muпro 1. Н., in «Luminescence of Organic and Inorganic
aterials», ed. Ьу КаНmап Н. and Spruch О. М., John Wi1ey and Sons.
Inc., New York, 1962.
45. Parker С. А., Hatchard С. О., Proc. Chem. Soc., 1962, 147.
46. Parker С. А., Hatchard С. О., Proc. Roy. Soc. (London), А, 269, 574
(1962) .
47. Steveпs В., Walker М. S., Huttoп Е., Proc. Chem. Soc., 1963, 62.
48. Lewis О. N., Lipkiп D., J. Аm. Chem. Soc., 64, 2801 (1942).
49. Debye Р., Edwards J. О., J: Chem. Phys., 20,236 (1952).
50. Liпschitz Н., Berry М. О., Schweitzer D., J. Аm. Chem. Soc., 76, 5833
(1954).
51. Meyer W. С., Albrecht А. С., J. Phys. Chem., 66, 1168 (1962).
52. Dolaп Е., Albrecht А. С., J. Chem. Phys., 37, 1149 (1962); 38, 567 (1963).
53. McClaiп W. М., Albrecht А. С., J. Chem. Phys., 43, 465 (1965).
54. ит Е. С., Sweпsoп О. W., J. Chem Phys., 36, 118 (1962); 39,2768 (1963).
55. ит Е. С., Weп W. У., J. Chem. Phys., 39, 847 (1963).
56. ит Е. С., Lazzara С. Р., Yaпg М. У., Sweпsoп О. W., J. Chem. Phys.,
43, 970 (1965).
57. Cadogaп К. D., Albreclzt А. С., J. Chem. Phys., 43, 2550 (1965).
58. Steveпs В., Walker М. S., Chem. Соmmип., 1965, 8.
59. Parker С. А., Joyce Т. А., J. Chem. Soc., А, 1966, 821.
60. Gibboпs W. А., Porter О., Savadatti М. 1., Nature, 206, 1355 (1965).
61. Brocklehurst В., Gibboпs W. А., Laпg Р. Т., Porter О., Savadatti М. 1.,
Trans. Faraday Soc., 62, 1793 (1966).
62. Perriп Р., J. Phys. Radium, 7, 390 (1926).
63. Jabloпski А., Z. Physik, 96, 236 (1935).
64. Azumi Т., мступп S. Р., J. Chem. Phys., 37, 2413 (1962).
65. Jabloпski А., Acta Phys. Polon., 10,33, 193 (1950).
66. Weber О., Trans. Faraday Soc., 50, 552 (1954).
67. Феофuлов П. П., Свешнuков В. Н., J. Phys. USSR, 3, 493 (J940).
68. Partiпgtoп J. R., Ап Advanced Treatise оп Physical Chemistry, Vol. 4,
Longmans, Green and Со., London, 1953.
69. Herzberg О., olecular Spectra and olecular StrUСlше. 11. Infra-red and
Raman Spectra of Polyatomic Molecules, О. Уап Nostrand Со. Inc., NevJ'
York, 1959.
70. Hibbeп J. Н., The Raman Effect and its Chemical App1ications, Reinhold
Publishing Corp., Inc., New York, 1939.
71. Eiseпbraпd J., Picher Н., Z. Elektrochem., 50, 72 (1944).
72. Eiseпbraпd J., Optik, 11, 557 (1954).
73. Parker С. А., Ana1yst, 84, 446 (1959).
74. Price J. М., Kaihara М., Howertoп Н. к., Appl. Opt., 1, 521
(1962) .
75. Sterп О., Volmer М., Phys. Z., 20, 183 (1919).
76. Boweп Е. J., Trans. Faraday Soc., 50, 97 (1954).
77. Hodgmaп С. D. (ed.), Handbook of Chemistry and Physics, 13th edition
Chemical Rubber Publishing Со., Cleveland, 1948.
78. Williamsoп В., de [а Mer V. к., J. Аm. Chem. Soc., 70, 717 (1948),
79. Debye Р., Trans. Electrochem. Soc., 82, 265 (1942).
80. Smoluchowski М., Z. Physik. Chem. (Leipzig), 92, 129 (1917).
81. Stokes О. О. (1850), Mathematical and Physical Papers! Уоl. 1111 Cambrid-
ge University Press! London, 1903, р. 1! 55.
1. Lippert Е., Luder W., Moll Р., Spectrochim. Acta, 10, 858 (1959).
20 Lippert Е., Z. Naturforsch., 10а, 541 (1955); Z. Elektrochem., 61, 962 (1957).
3. Mataga N., Kaifu У., Koizumi М., ВиН. Chem. Soc. Japan, 28, 690 (1955)'
29, 465 (1956). '
4. Hughes Н. к., Anal. Chem., 24, 1349 (1952); 33, 1968 (1961).
5. Boweп Е. J., Wokes Р., Fluorescence of Solutions, Longmans Green and
Со., London, 1953.
6. F6rster Th., Fluoreszenz Organischer Verbindungen, Vandenhoeck und Rup-
recht, Gбttiпgеп, 1951.
7. Birks J. В., Dysoп D. J., Proc. Roy. Soc. (London), А, 275, 135 (1963).
8. Murrell J. N., The Theory of the Electronic Spectra of Organic olecules,
ethuen and Со., Ltd., London, 1963.
9. Porter О., in «Reactivity of the Photoexcited Organic Molecule», Proc. 13th
Conf. о;! Chemistry, Brussels, 1965, Interscience Publishers Inc. New York
1967. о" ·
10. Kasha М., Discussions Faraday Soc., .N'g 9, 14 (1950).
11. Kasha М., in «Light and Life», ed. Ьу McElroy W. О. and Glass В., The
Johns Hopkins Press, 1961.
12. Porter О., Suppaп Р., Trans. Faraday Soc., 61, 1664 (1965).
13. Parker С. А., unpublished work.
14. Mullikeп R. S., J. Phys. Chem., 56, 801 (1952).
15. Briegleb О., Czekalla J., Angew. Chem., 72, 401 (1960).
iG. Czekalla D., Meyer К. О., Z. Physik. Chem. (Frankfurt), 27, 185 (1961);
S!Lort О. D., Parker С. А., Spcctrochim. Acta, 23А, 2487 (1967).
17. Sidmaп J., Chem. Rev., 58, 689 (1958).
1 . Bauer R., Baczyпski А., BuH. Acad. PoIon. Sci., 6, 113 (1958).
1!:'. P rlzer С. А., Hatchard С. О., Trans. Faraday Soc., 57, 1894 (1961).
20. L iп Е. С., LaJ?os J. D., y J. М. н., . Mol. Spectry., 19, 412 (1966).
21. О Dшуеr М. о'"" ['.l-Bayoumt М. А., Strtckler S. J. J. Chem. Ph y s. 36 1395
(1962). " ,
22. Kato S",Lips! y S., Brauп С. L., J. Chem. Phys., 37, 190 (1962).
23. Boweli. Е. J., Sahu J., J. Phys. Chem., 63, 4 (1959).
24. Boz;;eп Е. J., Seamaп D., in «Luminescence of Organic and Inorganic Mate-
па !s», ed. byKal1man Н. and Sprucll О. ., John Wi1ey and Sons, Inc., New
У ork, 1962.
25. Perriп Р., Апп. Phys. (Paris), 12, 169 (1929).
26. Jabloпski А., Nature, 131, 839 (1933).
27. J abloпski А., Z. Physik, 94, 38 (1935).
28. Лёвu1UН В. л., Винокуров Л. А., Physik. Z. Sowjet U., 10, 10 (1936).
29. Lewis О. N., Lipkiп D., Magel Т. Т. J. Аm. Chem. Soc., 63, 3005 (1941).
30. Lewis О. N., Kasha М., J. Аm. С!1еm. Soc., 66, 2100 (1944).
31. Boudiп S., J. Chim. Phys., 27, 285 (1930).
32. Kautsky н., Chem. Ber. 68, 152 (1935).
33. Biickstr6m Н. L. J., S пdros к., Acta Chem. Scand., 12, 823 (1958).
4. Parker С. А., Hatchard С. О., Trans. Faraday Soc., 59, 284 (1963).
35. Parker С. А., Н atchard С. О., J. Phys. Chem., 66, 2506 (1962).
36. Parker С. А., Hatchard С. О., Joyce Т. А., J. MoI. Spectry., 14, 311 (1964).
37. ДИКЦН П. П., ЖЭТФ, 20, 193 (1950).
488
ЛИТЕРАТУРА
ЛИТЕРАТУРА
489
82. Eiпstein А., Апп. Physik, 17, 549 (1905); 19, 371 (1906); Z. Elektrochem.,
14, 235 (1908).
83, Osborпe А. D., Porter а., Proc. Roy. Soc. (London), А, 284, 9 (1965).
84. Parker С. А., Trans. Faraday Soc., 60, 1998 (1964).
85. Taпaka С., Taпaka J., Huttoп Е., Steveпs В., Nature, 198, 1192 (1963).
86. Parker С. А., Nature, 200, 331 (1963).
87. о Noyes R. М. in «Progress in Reaction Кinetics», ed. Ьу Porter О. and Ste-
vens В. В., Vol. 1, Pergamon Press, Oxford, 1961.
88. Beer М., Loпguet Higgiпs Н. С., J. Chem. Phys., 23, 1390 (1955).
89. Viswaпath а., Kasha М., J. Chem. Phys., 24, 574 (1956).
90. Parker С. А., Hatchard С. а., unpublished work.
91. Hиperп J. W., Trans. Faraday Soc., 61, 605 (1965); Birks J. В., De С. Coп
te J. М., Walker а., Phys. Letters, 19, 125 (1965).
92. Hochstrasser R. М., McAlpiпe R. D., J. Chem. Phys., 44, 3325 (1966);
Muпro 1. Н., НатШоп Т. D. S., Ray J. Р., Moore а. Р., Phys. Letters, 20,
386 (1966).
93. Gaviola Е., Priпgsheim Р., Z. Physik, 24, 24 (1924).
94. Weigert Р., Kiippler а., Z. Physik, 25, 99 (1924).
95. Perriп J., in «2 eme Conseil de Chimie Solvay», Brussels, 1924, Gauthier-
Vil1ars, Р aris, 1925.
96. Perriп J., Compt. Rend., 184, 1097 (1927).
97. Forster Th., Апп. Physik; series 6, 2, 55 (1948).
98. Forster Th., Discussions Faraday Soc., 27, 7 (1959).
99. Калверт Дж., Пuттс Дж., Фотохимия, «Мир», М., 1967.
100. Boweп Е. J., Liviпgstoп R., J. Аm. Chem. Soc., 76, 6300 (1954).
101. Dubois J. Т., Steveпs В., in «Luminescence of Organic and Inorganic
Materials», ed. Ьу КаНmап Н. Р. and Spruch О. М., John Wiley and Sons
Inc., New York, 1962.
102. Weber а., Teale Р. W. J., Trans. Faraday Soc., 61, 620 (1962).
103. Mediпger Т., Wilkiпsoп Р., Trans. Faraday Soc., 61, 620 (1965).
104. Parker С. А., Joyce Т. А., Trans. Faraday Soc., 62, 2785 (1966).
105. Lamola А. А., Hammond а. S., J. Chem. Phys., 43, 2129 (1965).
106. Теренин А., Ермолаев В., Trans. Faraday Soc., 52, 1042 (1956).
107. Biickstrom Н. L. J., Saпdros К., Acta Chem. Scand., 14, 48 (1960).
108. Porter а., Wilkiпsoп Р., Proc. Roy. Soc. (London) А, 2С4, 1 (1961).
10S. Saпdros к., 8dckstrom Н. L. J., Acta Chem. Scand., 16, 958 (1962).
110. Parker С. А., Hatchard С. а., Joyce Т. А., Nature, 205, 1282 (1965).
111. Parker С. А., in «Advances in Photochemistry», ed. Ьу Noyes W. А., Jr.,
Hammond О. So and Pitts J. N., Jr., Vol. 2, Intel'science Publishers, New
У ork, 1964.
112. Parker С. А., Spectrochim. Acta, 19, 989 (1963).
113. Parker С. А., Joyce Т. А., Chem. Соmmип., 1966, 108.
114. Parker С. А., Joyce Т. А., Photochem. Photobiol., 6, 395 (1967),
115. Steveпs В., Walker М. S., Proc. Roy. Soc. (London), А, 281, 420 (1964).
116. Czarпecki S., ВиН. Acad. Роl0П. Sci, 9,561 (1961).
117. Мие! В., Compt. Rend., 255, 3149 (1962).
118. Azumi Т., McGlyпп S. Р., J. Chem. Phys., 38,2773 (1963),
119. Azumi Т., McGlyпп S. Р., J. Chem. Phys., 39,1186 (1963).
120. Dupuy Р., Thesis, University of Bordeaux, 1964.
121. Azumi Т., McClyпп S. Р., J. Chem. Phys., 39, 3533 (1963); Smith Р. J.,
McGlyпп S. Р., J. Chem. Phys., 42, 4308 (1965).
122. MsGlyпп S. Р., Padhye М. R., Kasha М., J. Chem. Phys., 23, 593 (1955).
123. Parker С. А., Proc. Roy. Soc. (London), А, 276, 125 (1963),
124. Parker С. А., Hatchard С. а., Proc. Chem. Soc., 1962, 386.
125. Parker С. А., Hatchard С. а., Joyce Т. А., Analyst, 90, 1 (1965).
126. Прuнесеейм П., Флуоресценция и фосфоресценция, ИЛ, М., 1951.
127 bowmaп R. L., Caulfield Р. А., Udeпfriend S., Science, 122, 32 (1955).
128. Weber а., Teale Р. W. J., Biochem. J., 65, 476 (1957).
129. Teale Р. W. J., Biochem. J., 76, 381 (1960).
130. White С. Е., ноптап D. Е., Magee J. S., Spectrochim. Acta, 9, 105 (1957).
131. Parker С. А., Barпes W. J., Analyst, 82, 606 (1957).
132. J ohпs Н. Е., Ralph А. М., Photochem. Photobiol., 4, 673, 693 (1965).
133. Eleпbaas W., Riemeпs J., Phi1ips Techn. Rev., 11, 299 (1950).
134. Nelsoп Е. Н., PllOt. J., 89В, 54 (1949).
135. Sill С. W., Anal. Chem., 33, 1584 (1961).
136. Boweп Е. J., The Chemical Aspects of Light, Clarendon Press, Oxford,
1946.
137. Kasha М., J. Opt. Soc. Аm., 38, 929 (1948).
138. Sharpe J., Electronic Technology, 38, 196,248 (1961).
139. Harrisoп а. R., Leightoп Р. А., Phys. Rev., 88, 899 (1931).
140. Boweп Е. J., Proc. Roy. Soc. (London), А154, 349 (1936).
141. Melhuish W. Н., New Zealand J. Sci. Technol., 37, 2В, 142 (1955); J. Opt.
Soc. Аm., 52, 1256 (1962).
142. Weber а., Teale Р. W. J., Trans. Faraday Soc., 53, 646 (1957).
143. Parker С. А., Nature, 182, 1002 (1958).
144. Parker С. А., Proc. Roy. Soc. (London), А, 220, 104 (1953).
145. Parker С. А., Trans. Faraday Soc., 50, 1213 (1954).
146. Hatchard С. а., Parker С. А., Proc. Roy. Soc. (London), А, 235, 518
(1956). .
147. Parker С. А., Hatchard С. а., J. Phys. Chem., 63, 22 (1959).
148. Lee J., Seliger Н. н., J. Chem. Phys., 40, 519 (1964).
149. Baxeпdale J. Н., Bridge N. К" J. Phys. Chem., 59, 783 (1955).
150. Parker С. А., Rees W. Т., Analyst, 87, 83 (1962).
151. Hirshberg У., Fischer Е., Rev. Sci. Instr., 30, 197 (1959).
152. Argauer R. J., White С. Е., Anal. Chem., 36, 368 (1964).
153. Slaviп W., Моопеу R. W., Palumbo D. Т., J. Opt. Soc. Аm., 51, 93 (1961).
154. Lipsett Р. R., J. Opt. Soc. Аm., 49, 673 (1959).
155. Turпer а. к., Science, 146, 183 (1964).
156. Melhuish W, Н., Murashige R. Н., Rev. Sci. Instr., 33, 1213 (1962),
157. Sill С. W., Anal. Chem., 33, 1579 (1961).
158. Parker С. А., Rees W. Т., Analyst, 85, 857 (1960).
159. Beпford Р., Lloyd а. Р., Schwarz S., J. Opt. Soc. Аm., 38, Н5, 964 (1948).
160. Parker С. А., Anal. Chem., 34, 502 (1962).
161. Borreseп Н. С., Parker С. А., Aпal. Chem., 38, 1073 (1966).
162. Melhuish W. Н., J. Phys. Chem., 64, 762 (1960).
163. Lippert Е., Nagele W., Seibold-Blaпkeпstein 1., Steiger W., Voss W., Z.
Апаl. Chem., 170, 1 (1959).
164. Chapmaп J. н., Forster Th., Kortum а., Lippert Е., Melhuish W. Н.,
Nebbia а., Parker С. А., Photoelec. Spectrometry Group ВиН., .N'g 14, 378
(1962); Appl. Spectry., 17, 171 (1963); Z, Anal. Chem., 197, 431 (1963).
165. Drushel Н. V., Sommers А. L., Сох R. С., Апаl. Chem., 35, 2166 (1963),
166. Roseп Р., Edelmaп а. М., Rev. Sci. Instr., 36, 809 (1965).
167. НатШоп Т. D. S., J. Sci. Instr., 43, 49 (1966).
168. Kortum а., Hess W., Z. Physik. Chem. (Frankfurt), 019, 142 (1959).
169. НШ R. М., Oechsli R., Marg Е., J. Opt. Soc. Аm., 51, 1139 (1961).
170. Мекшенков М. Н., Андрейцев А. П., Биофизика, 5, 616 (1960); 6, 615
( 1961 ) .
171. Lipsett Р. R., Photoelec. Spectrometry Group ВиН., .N'g 16, 474 (1965).
172. Вавuлов С. Н., Z. Physik, 22, 266 (1924).
173. Forster L. S., Liviпgstoп R., J. Chem. Phys., 20, 1315 (1952).
174. Boweп Е. J., Sawtell J. W., Trflns. Faraday Soc., 33, 1425 (1937).
175. Melhuish W. н., J. Phys. Chem., 65, 229 (1961).
176. Gilmore Е. Н., Gibsoп а. Е.! McClиre D. S., J. Chem. Phys., 20, 829
( 1952) .
490
ЛИТЕРАТУРА
ЛИТЕРАТУРА
491
177. Berlmaп 1. В., Handbook of Fluorescence Spectra of Aromatic olecules,
Academic Press, New York, 1965.
178. Boweп Е. J., Cook R. J., J. Chem. Soc., 1953, 3059.
179. Parker Со Ао, Joyce Т. А., Chem. СоттllП., 1967,744.
180. Hellstrom Н., Arkiv Kemi Mineral. Geolo, 12А, 17 (1937).
181. Umberger J., LaMer V., J. Ат. Chem. Soc., 67, 1099 (1945).
182. Boweп Е. J., in «Advances in Photochemistry», ed. Ьу Noyes W. А. and
Hammond а. S., Pitts J. N., Jr., Vol. 1, Interscience PubIishers, New York,
1963.
183. Boweп Е. J., Williams А. Н., Trans. Faraday Soc., 35, 765 (1939).
184. Hermaпs J. J., Leviпsoп 5., opt. Soc. Ат., 41, 460 (1951).
185. Birks J. Во, Little W. А., Proc. Phys. Soc. (London), А, 66, 921 (1953).
186. Вааеу Ео, Rollefsoп О., J. Chem. Phys., 21, 1315 (1953).
187. Veпetia В. D., Rev. Sci. Instr., 30, 450 (1959).
188. Liebsoп 5. Н., Nucleonics, 10, 41 (1952).
189. 5charmaпп А., Z. Naturforsch., llА, 398 (1956).
190. 5chmilleп А., Z. Physik, 135,294 (1953).
191. Birks J. В., Dysoп D. J., J. Sci. Instr., 38, 282 (1961).
192. Birks J. Во, Dysoп D. J., Muпro 1. Н., Proc. Roy. Soc, (London), А, 275,
575 (1963).
193. Malmberg J. н., Rev. Sci. Instr., 28, 1027 (1957).
194. Brody 5. 5., Rev. Sci. Instr., 28, 1020 (1957).
195. Birks J. В., Kiпg Т. А., Mипro 1. Н., Proc. Physo Soc. (London), 80, 355
(1962) .
196. Heпdee С. Р., Browп W. Во, Philips Tech. Rev., 19, 50 (1957).
197. Beппeti R. О., Rev. Sci. Instr., 31, 1275 (1960).
1980 Mataga N., Tomura М., Nishimura Н., Mol. Phys., 9, 367 (1965).
199. Dubois J. Т., Сох М., Jo Chem. Phys., 38, 2536 (1963).
200. Dubois J. То, Vaп Н emert R. L., J. Chem. Phys., 40, 923 (1964).
201. Иванова Т. В., Кудряшов П. И., Свешнuков Б. Н., ДАН СССР, 138,
572 (1961).
202. Becquerel Ео, Аппо Chim. Phys. (Paris), 27, 539 (1871).
203. Parker С. А., Hatchard С. О., Analyst, 87, 664 (1962).
204. Coetzee J. Р., Cuппiпgham О. Р., McGuire D. К., Padmaпabhaп Оо R.,
Anal. Chemo, 34, 1139 (1962).
205. Maricle D. L., Anal. Chem.; 35, 683 (1963).
206. Maricle D. L., Hodgsoп W. О., Апаl. Chem., 37, 1562 (1965).
207. V:'iпefordпer J. D., 5t. Johп Р. Ао, Analo Chem., 35, 2211 (1963).
208. Greeпspaп Н., Fischer Е., J. Phys. Chem., 69, 2466 (1965).
209. Pfaпп W. О., Zone Melting, 2nd edition, John Wi1ey and Sons, Inc., New
У Ol'k, 1966.
210. Parker С. А., il1 «Proco SA Confo, Nottingham», ed. Ьу ShaIlis Р. W. and
f Ieffer W. and Sопs Ltdo, Cambridge, 1965.
211. Aiпsworth 5., Wiпter Ео, Аррlо Opt., 3, 371 (1964).
2!2. Johпsoп Jo, Ricllaras Е. Оо, Arch. Biochem. Biophys., 97, 250 (1962).
2130 Weber О., Biochem. J., 51, 155 (1952).
2140 Weber Оо, J. Opt. Soco Ато, 46, 962 (1956).
215. Weber О., Biochem. J., 75, 335 (1960).
216, Bowers Ро О., P01'ter О., Proc. Roy. Soco (Lопdоп), А, l96, 435 (1967).
217. Leoпhardt Но, Weller Ао, iп «Luшiпеsсепсе of Оrgапic апd Iпоrgапic a-
terials», ed. Ьу Каllmапп Н. Ро апd Spruch а. М., Jоlш Wiley апd Sопs,
New York, Lопdоп, 19620
218. Kasha М., J. Cheтo Physo, 20, 71 (1952).
219. Mediпger Т., Wilkiпsoп Р., Тrапs. Faraday Soc., 62, 1785 (1966).
2 0. Parker С. Ао, Joyce Т. Ао, Chem. Соmmuп., 1966, 234.
221. Borkтaп R. Р., Kearпs D. Ro, Chem. Соmmuп., 1966, 446.
2 2. Porter Оо, Wilkiпsoп Р., Тrапsо Faraday Soco, 57, 1686 (1961).
223. Liviпgstoп R., McCartiп Р. J., J. Phys. Chem., 67, 2511 (1963).
224. Porter Оо, 5tief L. J., Nature, 195,991 (1962).
225. Herkstroeter Wo О., Lamola А. А., Hammoпd О. 50' J. Ат. Chem. 50С.,
86, 4537 (1964).
226. McClure D. 50' J. Chemo Phys., 17,905 (1949).
227. Jacksoп О., Porter О., Proc. Roy. Soc. (Lопdоп), А, 260, 13 (1961).
228. Теренин А. н., Ермолаев В. Л., J. Chim. Physo, 55, 698 (1958).
229. Parker С. А., Joyce Т. А., Nature, 210, 701 (1966).
230. Hall О. О., Proc. Roy. Soc. (Lопdоп), А, 213, 113 (1952).
231. McGlyпп 5. Р., Azumi Т., Kasha М., J. Chemo Physo, 40, 507 (1964).
232. Evaпs D. Р., J. Chem. Soc., 1957, 1351.
233. Rothmaпп W., Case А., Kearпs D. R., J. Chemo Phys., 43, 1067 (1965).
234. Avakiaп Р., Abramsoп Е., Kepler R. О., Caris J. С., J. Chem. Phys., 39,
1127 (1963).
235. Weber к., Z. Physik. Chem. (Leipzig), В15, 18 (1931).
236. Forster Th., Z. Elektrochem., 54, 42 (1950).
237. Forster Th., Z. Elektrochem., 54, 531 (1950).
238. Forstero Th., iп «Photochemistry iп the Liquid апd So1id States», edo Ьу
Dапiеls F., Jоhп Wi1ey апd Sопs Iпс., New York, 1960.
239. Bartok W., Lucchesi Р. J., 5пider N. 5., J. Ат. Chem. Soc., 84, 1842
(1962). .
240. Weller А., Z. Physik. Chem. (Frankfurt), 17, 224 (1958).
241. Weller Ао, iп «Progress iп Rеасtiоп Кiпеtiсs», ed. Ьу Porter а. and Ste-
vens В., Volo 1, Pergamon Press, Lопdоп, 1961.
242. Д еркачева Л. д., Оптика и спектр., 9, 209 (1960).
243. Weller А., Z. Elektrochem., 61, 956 (1957).
244. Weller А., Z. Elektrochem., 56, 662 (1952).
245. Weller А., Z. Elektrochem., 58, 849 (1954).
2460 Weller А., Z. Physik. Chem. (Frапkfurt), 3, 238 (1955).
247. Weller А., Z. Elektrochem., 60, 1144 (1956).
'""'"'" 248. Birks J. В., Appleyard J. н., Роре R., Photochem. Photobiol., 2, 493 (1963).
249. 5teveпs В., Вап М. 1., Transo Faraday Soc., 60, 1515 (1964).
250. Forster Th., Kasper К., Z. Physik. Chem. (Frankfurt), 1, 275 (1954),
251. Kasper К., Z. Physik. Chem. (Frапkfurt), 12, 52 (1959).
252. DDller Ео, Forster Th., Z. Physik. Chem. (Frапkfurt), 34, 132 (1962).
253. Birks J. В., Lumb М. D., Muпro 1. Н., Proc. Roy. Soc. (Lопdоп), А, 280,
289 (1964).
254. Baпdow Р., Z. Physik. Chem. (Leipzig), 196,329 (1951).
255. Doller Е., Z. Physik. Chemo (Frапkfurt), 34,151 (1962).
256. Berlmaп 1. Во, Weiпreb А., Mol. Physo, 5, 313 (1962).
257. Doller Ео, Forster Th., Z. Physik. Chem. (Frапkfurt), 31, 274 (1962).
258. Birks J. Во, Christophorou L. Оо, Spectrochim. Acta, 19, 401 (1963).
259. Birks J. В., Aladekomo J. В., Spectrochim. Acta, 20, 15 (1964).
260. Aladekomo J. Во, Birks J. В., Proc. Roy. Sос. Lопdоп), А, 284, 551 (1965),
261. Birks J. В., Kiпg Т. А., Proc. Roy. Soco (Lопdоп), А, 291, 244 (1966).
262. Birks J. Во, Christophorou L. О., Proco Soc. (Lопdоп), А, 274, 552 (1963),
263. Birks J. В., Christophorou L. О., Proco Roy. Soc. (Lопdоп), А, 277, 571
(1964) .
264. Иванова Т. В., Мокеева r. А., Свешнuков В. Н., ОПТИКа и спектро, 12,
586 (1962).
265. Birks J. В., Braga С. L., ,Lumb М. D., Proc. Roy. Soc. (Lопdоп), А,
283, 83 (1965).
2660 Boweп Е. Jo, Таппе, D. W., Trans. Faraday Soco, 51, 475 (1955).
267. Birks J. Во, Christophorou L. Оо, Nature, 197, 1064 (1963).
268. Birks J. Во, Aladekomo J. Во, Photochem. Photobiolo, 2, 415 (1963).
269. Barпes Ro L., Birks J. Во, Proc. Roy. Soc. (Lопdоп), А, 291, 570 (1966),
270. Hamiltoп Т. D. 5., Photochem. Photobiol., 3, 153 (1964).
ЛИТЕРАТУРА
493
492
ЛИТЕРАТУР А
271. Birks J. В., Christophorou [. О., Nature, 196, 33 (1962).
272. Platt J. R., J. Chem. Phys., 17, 484 (1949).
273. Hirayaтa Р., J. Chem. Phys., 42, 3163 (1965).
274. Yaпari S. S., Bovey Р. А., Luтry R., Nature, 200,242 (1963).
275. Chaпdross Е. А., J. Chem. Phys., 43, 4175 (1965).
276. Chaпdross Е. А., Loпgworth J. W Visco R. Е. J. Аm C h em Soc 87
3259 (1965). ".. ., ,
277. Birks J. В., Moore О. Р., Muпro 1. Н., Spectrochim. Acta, 22, 323 (1966).
278. Parker С. А., Spectrochim. Acta, 22, 1677 (1966).
279. Birks J. В., J. Phys. СЬеm., 67,1299 (1963); 68, 439 (1964).
280. Parker С. А., Short О. D., Trans. Faraday Soc., 63, 2618 (1967).
281. Nagakura S., ВаЬа Н., J. Ат. Chem. Soc., 74, 5693 (1952).
282. Liviпgstoп oR., Watsoп W. Р., McArdle J. J. Аm. Chem Soc 7 1 l r; 42
(1949). ,. ., , u
283. Mataga N., Kaif У., Koizuтi М., Bu1l. Chcm. Soc. Japan, 29, 373 (1956).
284. Bredereck к., Forster Th., Oesterliп Н. О., in «Luminescence оУ Organic
and Inorganic Materials», ed. Ьу Kal1man Н. Р. and Spruch О. М., John
Wiley and Sons, New York, 1962.
285. Шпольскuи Э. В., Усп. физ. наук, 71, 215 (1960).
286. Шпольскuй Э. В., Ильuна А. А. КЛU.ktOва Л. А. ДА Н СССР 87 935
(1952) . ' о ' , ,
287. Шпольскuй Э. В., КЛUАtOва Л. А. ИЗВ. АН СССР Ф 1 8 673
(1954). " сер. ИЗ., ,
288. Boweп Е. J., Brocklehurst В., J. Chem. Soc., 1954, 3875.
289. Boweп Е. J., Brocklehurst В., J. Chem. Soc., 1955, 4320.
290. Шпольскuй Э. В., Усп. физ. наук, 68, 51 (1959).
291. Дикун П. П., Вопросы онколоrии, 5, 672 (1959).
292. Muel В., Laaoix О., ВиН. Soc. Chim. France, 2139 (1960).
293. Персонов Р. И., ЖАХ, 17,506 (1962).
294. Тепляков П. А., Оптика и спектр., 15,645 (1963).
295. [060В [. В., Оптика и спектр., 15, 362 (1963).
296. Рузевuч З. С., Оптика и спектр, 15, 357 (1963).
297. Клuмова Л. А., Оптика и спектр., 15, 344 (1963).
298. Шuсорuн Д. Н., Щеслова Н. А., HypMyxaAter08 Р. Н. ИЗВ. АН СССР
23,37 (1959).' "
299. Щес.;zова Н. А., Шuсорuн Д. Н., Докунихин Н. С., ЖФХ, 38, 1963 (1964).
oo. Grajca r L., Leach S, J. Chim. Phys., 1523 (1964).
;J01. Parker С. А., Hatchard С. О., Webb В., unpublished work.
302. Leach S., Lopez Delgado R., Orajcar L., J. Chim. Phys., 194 (1966).
303. Hatchard С. О., Parker С. А., Trans. Faraday Soc., 57, 1093 (1961).
304. Parker С. А., Rees W. Т., Nature, 184, 1223 (1959).
305. Parker С. А., Rees W. Т., J. Chim. Phys., 761 (1959).
306. Leach S:, in «Luminescence оУ Organic and Inorganic Materials», ed. Ьу
Kallman Н. Р. and Spruch О. М. John Wile y and Sons Inc. New York
1962. ' ",
307. Parker С. А., Hatchard С. О., Photochem. Photobiol., 5, 699 (1966).
ЗОR. Steiпer R. Р., Edelhoch н., Chem. Rev., 62, 457 (1962).
30\1. Oster О, Nishijiтa У., Fortschr. Hochp01ymer. Forsch., 3, 313 (1964).
310. Velick S. Р., J. Biol. Chem., 233, 1455 (1958).
311. Lawreпce D. J. В., Biochem. J., 51,168 (1952).
312. Weber О., Trans. Faraday Soc., 44, 185 (1948).
313. Zaпker V., Wittwer А., Z. Physik. Chem. (Frankfurt), 24, 183 (1960).
314. Weber О., Biochem. J., 75, 345 (1960).
315. Radley J. А., Graпt J., Fluorescence Analysis in Ultraviolet Light, 4th
edition, Chapman and Ha1l Ltd., London, 1954.
316. Zscheile Р. Р., Protoplasma, 22, 513 (1935). о
;)17, Zscheile Р. Р., Harris D. О., J. Phys. Chem., 47, 623 (1943).
318. Burdett R. А., Joпes L. С., J. Opt. Soc. Аm., 37, 554 (1947).
319. Studer Р. J., J. Opt. Soc. Аm., 38, 467 (1948).
320. Priestley W., Anal. Chem., 22, 509 (1950).
321. Derr А. J., J. opt. Soc. Аm., 41, 872 (1951).
322. [апе, J. L., Roseпbauт Е. J., J. Opt. Soc. Аm., 41, 450 (1951).
323. Boweп Е. J., Photoelec. Spectrometry Group Bu1l., .N'2 6, 124 (1953).
324. Huke Р. В., Heidel R. Н., Fassel R. Н., J. Opt. Soc. Аm., 43, 400 (1953),
325. McAпally J. S., Anal. Chem., 26, 1526 (1954).
326. Oorпall А. О., Kalaпt Н., Апаl. Chem., 27,474 (1955).
327. Parker С. А., Harvey L. О., Analyst, 87,558 (1962).
328. Parker С. А., Harvey L. О., Analyst, 86, 54 (1961).
329. Williaтs R. Т., Bridges J. W., J. Clin. Pathol., 17,371 (1964).
330. Hagiпs W. А., Jeппiпgs W. Н., Discussions Faraday Soc., .N'2 27, 180
(1959) .
331. Williaтs R. Т., J. Roy. Inst. Chem., 83, 611 (1959).
332. Roseп А., Williaтs R. Т., Photoelec. Spectrometr y Grou p ВиН. .N'2 13 339
( 1961) , ' ,
333. Thoттes О. А., Leiпiпger Е., Talanta, 7, 181 (1961).
334. Sawicki Е., Hauser Т. R., Staпley Т. W., Intern. J. Air Pollution 2 253
(1960)., ' ,
335. Kaпda У., Shiтada R., Haпada К., Kajigaeshi S. Spectrochim. Acta, 17,
268 (1961). '
336. Muel В., Hubert Habart М., J. Chim. Phys., 377 (1958).
337. Zaпder М., Angew. Chem., Intern. Ed. Engl., 4, 930 (1965).
338. Zaпder М., Erdoel, Kohle, Erdgas, Petrochemie, 15, 362 (1962).
339. Zaпder М., Chem. Ber., 97, 2695 (1964).
340. Zaпder М., Fraпke W. Н., Chem. Ber., 98, 588 (1965).
341. Sauerlaпd Н. D., Zaпder М., Erdoel, Kohle, Erd g as Petrochemie 19 , 502
(1966). '
342. Юденфренд С., Флуоресцентный анализ в биолоrии и медицине, «Мир»,
1964. .
343. Teale Р. W. J., Weber О., Biochem. J., 65, 476 (1956).
344. Waalkes Т. Р., Udeпfrieпd S., J. Lab. СНп. ed., 50, 733 (1957).
345. Moтose Т., Ohkura У., Talanta, 3, 155 (1959).
346. Sawicki Е., Elbert W., Staпley Т. W. Hauser Т. R. Рох Р. Т. Anal, Chem.
32,810 (1960). ",!
347. Saw ck Е., Staпley Т. W., Noe J., Апаl. Chem., 32, 816 (1960).
348. Sawtckt Е., Johпsoп Н., Anal. Chim. Acta, 34, 381 (1966).
349. Voп Eiseпbraпd J., Deut. Lebensm. Rundschau, 58, 230, 319 (1962).
350. Voп Eiseпbraпd J., Deut. Apotheker-Z., 103,623 (1963).
351. Parker С. А., Barпes W. J., Analyst, 85, 3 (1960).
352. Arтstroпg W. А., Oraпt D. W., Nature, 182, 747 (1958).
353. Keirs R. J., Britt R. D., Weпtworth W. Е., Anal. Chem. 29, 202 (1957).
354. Freed S., Salтre W., Science, 128, 1341 (1958), '
355. Holzbecher Z., Chem. Listy, 53, 713 (1959).
356. Wiпefordпer J. D., Latz Н. W., Anal. Chem., 35, 1517 (1963),
357. Wi.пefordпer J. D., iп М., Anal. Chim. Acta, 31, 239 (1964).
358. Wтefordпer J. D., Тт М., Anal. Chim. Acta, 32, 64 (1965).
359. Wiпefordпer J. D., Моуе Н. А., Апаl. Chim. Acta, 32, 278 (1965).
360. Oster О., Oeaciпtov N., Khaп А. и., Nature, 196, 1089 (1962).
361. Drus e Н. V., Soттers А. L., Anal. Chem., 36, 836 (1964).
362. Sawtckt Е., Staпley Т. W., Chemist-Analyst, 49, 107 (1960),
363. Sawicki Е., Joh."lsoп Н., icrochem. J., 8, 85 (1964).
364. Beпder D. Р., Sawicki Е., Wilsoп R. М., Anal. Chem., 36, 1011 (1964).
365. Sawicki Е., Elbert W. С., Staпley Т. W., J. Chromatog., 17, 120 (1965).
366. Taketatsu Т., Carey М. А., Baпks С. V., Talanta, 13, 1081 (1966).
367. Alberti 0'1 Massucci М, А., Апаl. Chem.! 38, 214 (1966).
494
ЛИТЕРАТУРА
ЛИТЕРАТУРА
495
368. Levereпz Н. W., Luminescence of SoHds, Chapman and НаН Ltd., London,
1950.
369. Garlick О. Р. J., Luminescence, Handbuch der Physik, Vol. 26, Springer-
Verlag, Berlin, 1958.
370. Sill С. W., Petersoп Н. Е., AnaI. Chem., 21, 1266 (1949).
371. Sill С. W., Petersoп Н. Е., Лпаl. Chem., 19,646 (1947).
372. rудименко К. Ф., Белый М. JI., Скачка М. А., Зав. лаб., 24, 1066 (1958).
373. Feigl Р., ОепШ V., Goldsteiп D., AnaI. Chem. Acta, 9, 393 (1953).
374. White С. Е., AnaI. Chem., 21, 104 (1949); 22, 69 (1950); 24, 85 (1952);
26,129 (1954); 28,621 (1956); 30,729 (1958); 32, 47R (1960). (With
Weissler А.), AnaI. Chem., 34,81 R (1962); 36, 116R (1964); 38, 155R
( 1966) .
375. Irviпg Н., Butler Е. J., Riпg М. Р., J. Chem. Soc., 1489 (1949).
376. Bhatпagar D. С., Forster Е. S., Spectrochim. Acta, 21, 1803 (1965).
377. Collat J. W., Rogers L. В., Апаl. Chem., 27, 961 (1955).
378. Rees W. Т., Analyst, 87, 202 (1962).
379. Kirkbright О. Р., West Т. S., Woodward С., Апаl. Chem., 37, 137 (1965).
380. Holzbccher Z., Chem Listy, 47, 1023 (1953); 49, 1030 (1955).
381. Freemaп D. С., \17hite С. Е., 1. Аm. Chem. Soc., 78, 2678 (1956).
382. Божевольнов Е. А., Серебрякова Т. В., Оптика и спектр., 13, 390 (1962).
383. Dagпall R. М., Smith R., West Т. 5., Talanta, 13, 609 (1966).
384. Коренман Н. М., Ефимычев В. С., ЖАХ, 17, 426 (1962).
385. Kirkbright О. Р., West Т. S., Woodward С., in Proc. SAC Conf., Notting-
ham, ed. Ьу ShaIIis Р. W., W. Heffer and Sons Ltd., Cambridge, 1965.
386. Job Р., Апп. Chim. (Paris), 9, 113 (1928).
387. Уое J. Н., Joпes А. L., Ind. Eng. Chem., AnaI. Ed., 16, 111 (1944).
388. Harvey А. Е., Maппiпg D. L., J. Аm. Chem. Soc., 72, 4488 (1950)' 74, 4744
(1952). '
389. Weissmaп S. 1., J. Chem. Phys., 10,214 (1942).
390. Yuster Р., Weissmaп S. 1., J. Chem. Phys., 17, 1182 (1949).
391. Weissmaп 5.1., J. Chem. Phys., 18, 1258 (1950).
392. Crosby О. А., Whaп R. Е, Alire R. М., J. Chem. Phys., 34, 743 (1961).
393. Tomascfj,e!: R. R,:,khsber. Physik, 1, 139 (1944).
394. Whaп R. Е.. Ст",Ь у а, А , J. )Vlol. Spectry., 8, 315 (1962).
395. Bhaumik М. 1'0' Tf:lk С. 1.. о '!:"-I 'pt. Soc. Аm., 54, 1211 (1964).
396. El-Say.ed М. / ., [Jfi:ЦП:ih ,\11 -' , J. Chem. Phys., 39, 2391 (1963).
397. Matovlch Е., Juzuk < j" ..,hem. Phys., 39, 1442 (1963).
398. Ballard R. ,/., ЕСlШйJJ;" 1. \ /., Spectrochim. Acta, 21, 1353 (1965).
399. Heller А.. It-.() р 1:., J. Chem. Phys., 42, 949 (1965).
400. МсСаrtlщ W. J., Wтefordпer J. D., Апаl. Chem., 38, 848 (1966).
401. HaпkN J. 5., Gamsoп R. М., Klapper н., Апаl. Chem., 29, 879 (1957).
402. Parker С. А., Rees W. Т., in «Trace Analysis of Semiconductor aterials»
ed. 1)у СаН J. Р., Pergamon Press, Oxford, 1964. '
403. Whiff. С. Е., Weissler А., Busker D., Апаl. Chem., 19, 802 (1947),
404. p(lfker С. А., Barпes W. J., Analyst, 85, 828 (1960).
40 . uke С. L., Flascheп S. S., Апаl. Chem., 30,1406 (1958).
400. Ji oste J., Апаl. Chim. Acta, 2, 402 (1948).
4Ы. Hoste J., Gillis J., Апаl. Chim. Acta, 12, 158 (1955).
408. Кононенка Л. Н., Лауэр Р. С., Полуектов Н. С., ЖАХ, 18, 1468 (1963).
409. Кононенко Л. Н., Полуектов Н. С., Никонова М. Р. Зав. лаб. 30 779
(1964). ' "
410. Ballard R. Е., Edwards J. W., in «Proc. SAC Conf., Nottingham», ed. Ьу
Sha1lis Р. W. and Heffer W. and Sons Ltd., Cambridge, 1965.
411. Alberti а., Massucci М. А., Gazz. Chim. На!., 95, 997, 1006 (1965).
412. Alberti О., Bruпo R., Massucci М. А., Saiпi А. Gazz. Chim. Наl. 95 1021
( 1965) . " ·
413. Dagпall R. М" 5mith R" West Т, 5., Апаlуst, 92, 358 (1968).
414. 5taпley Е. С., Kiппeberg В. 1., Varga L. Р., Апаl. Chem., 38, 1362 (1966).
415. Kautsky Н., Hirsch А., Baumeister W., Chem. Ber., 64, 2053 (1931),
416. Fraпck J., Priпgsheim Р., J. Chem. Phys., 11, 21 (1943).
417. Kautsky Н., Мйllе' О. О., Z. Naturforsch., 2А, 167 (1947).
418. Бабка А. К., Ходулина Р. В., Укр. хим. журн., 17, 191 (1951),
419. Willard Н. Н., Hortoп С. А., Апаl. Chem., 24, 862 (1952).
420. Powell W. А., 5aylor J. Н., Апаl. Chem., 25, 960 (1953).
421. Chaikiп S. W., Glassbrook С 1., Research for Industry, 5, 2 (1953).
422. Haпker J. 5., Gelberg А., Witteп В., Апаl Chem., 30, 93 (1958).
423. Назаренко В. А., Шустова М. В., Зав. лаб., 24, 1344 (1958). .
424. Miппs R. Е., Meeting оп Analysis of Sem!conductors, Society or Analyt -
саl Chemistry, London, 1960. See aIso Call J. Р., Trace Analysls of Seml-
conductor Materials, Pergamon Press, Oxford, London, 1964, р. 245.
425. Старик Н. Е., Старик Ф. Ф., Костырев r. В., Труды института радия АН
СССР, 7, 111 (1956).
426. Bradley А., Suttoп N. V., Ап 1. Chem., 31, 155 (1959).
427. Herпegger Р., Karlik В., Sltz. ber. Akad, WlSS. Wlen, ath Naturw. Ю.,
НА, 144,217 (1935).
428. Roddeп С. J., Апаl, Chem., 21, 327 (1949).
429 Феофилов П. П., Кузнецова Л. А., Инж. физ. журн., 1, 46 (1958),
430: Oster О., Trans. Faraday Soc., 47, 660 (1951); J. Polymer Sci., 16, 235
(1955) .
431. Oster О., ВеШп J. 5., J. Аm. Chem. Soc., 79, 294 (1957).
432. Wotherspooп N., Oster О., J. Аm. Chem. Soc., 79, 3992 (1957).
433. Zaпder М., Z. Апаl. Chem., 226, 251 (1967); 227, 331 (1967),
434. Zaпder М., Z. Апаl. Chem., 229, 352 (1967).
435. Weber О., Nature, 190,27 (1961).
436. Schachter М. М., Наепп' Е. О., Апаl. Chem., 36, 2045 (1964). )
437. Olsoп R. А., Rev. Sci. Instr., 31, 844 (1960).
438. Loeser С. N., Rev. Sci. Instr., 37, 237 (1966).
439. Kepler R. О., Caris J. С., Avakiaп Р., Abramsoп Е., Phys. Rev. Letters,
1 о, 400 (1963).
440. Теренин А., Кобышев r., Лялин r., Photochem. Photobicl" 5, 689 (1966).
441. Parker С. А., Chemistry in Britain, 2, 160 (1966).
442. Iwata 5., Taпaka J., Nagakura 5., in «,J,1e Triplet State», ed. Ьу Zah-
lап А. В., Beirut Symposium, СаmЬ' ;rlge University Press, Cambridge,
1967,
443. Birks J. В., in «The Triplet State», ed. Ьу L.ahlan А. В., Beirl1t Symposium,
Cambridge University Press, Cambridge, 1967.
ДОПОЛНИТЕЛЬНАЯ ЛИТЕРАТУРА"
ПРЕДМЕТНЫП УКАЗАТЕЛЬ
Божевольнов Е. А., Люминесцентный анализ неорrанических веществ изд во
«Химия», М., 1966. '
Турuновuч Т. п., Севченко А. _ Н., Соловьев К. Н., Спектроскопия хлорофилла
.. и родственных соединении, изд во «Наука И техника», Минск, 1968.
Левшuн В. Л., Фотолюминесценция жидких и твердых веществ, rостехиздат,
М. Л., 1951.
Молекулярная фотоника, изд во «Наука», Л., 1970.
Н ур,Муха,Метов Р. Н., Поrлощение и люминесценция ароматических соеДИне
ний, изд во «Химия», М., 1971.
Степанов Б. Н., Люминесценция сложных молек у л Изд во АН ВССР Минск
1955. " ,
Столяров /(. П., Триеорьев Н. Н., Введение в Люминесцентный анализ не-
орrанических веществ, изд во «Химия», 1967.
Теренин А. Н;, Фотоника молекул красителей и родственных орrанических
со динении, изд во «Наука», Л., 1967.
Турро Н., Молекулярная фотохимия, « ир», ., 1967.
Феофuлов П. П., Поляризованная люминесценция атомов, молекул и кристал-
лов, изд-во АН СССР, М., 1959.
Элементарные фотопроцессы в молекулах, изд-во «Наука», М. Л., 1966.
Annual Survey of Photochemistry, Turro N. (ed.) Vol. I 1969 11 1970' 111
1971; Wiley-Interscience, N. У. "'" ,
Becker. R. S., Th ory and Interpretation of Fluorescence and Phosphorescence
Wlley Intersclence, N. У., i969. '
Birks J. В., Photvphys:cs of Aromatic Molecules Interscience Publisher s N У
1970. 'Jo . .,
Cuпdall R. В., Gilbert А., Studies in odern Chemistry: Photochemistry Nelson
London, 1970. . O. ' ,
McGlyпп S. Р., Azumi Т., /(iпosiHta S., Molecular Spectroscopy of the Triplet
State, Рrепticе-НаIl, Englewood Cliffs, N. J., 1968.
Molecular Luminescence, Lim Е. С. (ed.) W. А. Benjamin N У 1969
Technique of Organic Chemistry, Leermakers Р. А. and Weissbe ger 'А:' (eds.):
01. XIV, Energy Transfer and Organic Photochemistry, Iпtеrsсiепсе Pub-
llshers, Inc., N. У., 1969.
Wayпe R. Р., Photochemistry, Butterworths, London, 1970.
Zaпder М., Phosphorimetry: the АррНсаНоп of Phosphorescence to the Analysis
of Organic Compounds, Acad. Press, N. У., 1968.
Абсорбционная спектроскопия, терми-
ны и обозначения 26
Азоrетероциклические соединения, оп-
ределение 447
Азулен 80, 81, 363, 418
Акридин 317, 324, 327, 357
определение 447
Акридиния катион 317
Акридиновый оранжевый 125, 251,
298, 305, 309, 433, 434, 478
Акрифлавин 55
Активаторы для неорrанических фос-
ф6ров 450
Актинометр
ферриоксалатный 199
химический 198
Акцептор
электроноакцепторные заместите
ли 39
энерrии, триплет 94, 433
Ализариновый rранатовый 474
Алкилrалоrениды, поrлощение света
37
АJ,ЮМИНИЙ 453, 454, 462, 463, 474, 475
Аминоазобензолы, определение 447
Аминоакридин 375
Аминоантрахинон 363
Аминокислоты 435
Аминопирена сульфонат 313
Амины
алифатические, поr лощение света
37
ароматические, рК* 323
Анабазин, определение 442
Анализ
классификация методов 380
эмпирические методы 437, 442
Анализ орrанических веществ, методы
4180
адсорбция 447
внешнее влияние тяжелых атомов
477
замедленная флуоресценция 428
косвенные флуоресцентные мето-
ды 440
критерии чистоты 418
тушение 439
* Дополнение к списку общей литературы составлено Р. Ф. Василье-
вым. П РИ'м. ред.
флуоресценция 402, 420, 434,
477
в 'жидких растворах 399, 420,
434
в кристаллах и стеклообраз-
ных растворах 440, 444
фосфоресценция 422, 440
Анализ элементов и неорrанических
соединений 461
в, жидких растворах 461
в кристаллах и стеклообразных
средах 474
смесей 462
Анизил 95
Анизол 308, 415
Анилин 37, 38, 308, 357, 415, 417
Анисовый альдеrид 469
Анниrиляция триплет триплетная 107,
108,109,111
Антантрен 339
Антистоксова флуоресценция 20, 403,
404
замедленная 122, 428
А траниловая кислота 251
Антрахинон 266, 307, 363, 412, 441,
44
Антрацен 18, 52, 102, 115, 116, 118,
119, 124, 130, 212, 213, 219, 251, 253,
265, 266, 289, 293, 295, 298, 310,339,
342, 344, 370, 388, 395, 400, 410, 433
анализ чистоты 428
ИЗОIlианат 373
определение 400, 403 405, 420,
433, 434, 440
паров замедленная флуоресцен-
ция 51
производные 47, 96, 288, 289
Аппаратура 128
Аспирин, определение 441
Атомная система 456
Атропин, определение 442
Аценафтен 104, 251, 293, 294, 298,299,
338
Ацетанилид 266, 412
Ацетилпропионил 301
Ацетонафтон 307
Ацетофенон 94, 266, 307, 412, 459
498
ПРЕДМЕТНЫй УI<А3АТЕЛЬ
ПРЕДМЕТНЫй УКАЗАТЕЛЬ
499
Белки 373, 376
Бензакридин, определение 447
Бензальдеrид 94, 95, 307, 415, 440
Бензантрацен 30, 104, 124, 235, 251,
298, 299, 338 340, 354, 411, 433
определение 432
.. производпые 339
Бензил 95, 266, 307, 412
Бензильный радикал 365, 370
Бензкарбазол 416, 417
обнаружение 447
Бензоат ион 308, 439
Бензоилацетон 457, 458
Бензоилфлуорен 307
Бензоин 94, 224, 266, 396, 412, 452,
453, 463 465
Бензойная кислота 266, 308, 412
определение 442
Бензол 77, 212, 213, 251, 266, 308,339,
410, 411, 416, 417
очистка 273
Бензонафтендион 436
Бензонафтофуран, определение 426,
428
Бензопиазселенол 263, 389, 411, 460,
466
Бензофенон 41, 81, 94, 96, 266, 307,
412, 413, 440, 459
Бензперилен 339, 362
Бензпирен 105, 2Бi, 298, 338, 339, 352,
363, 366, 371, 433; 445
анализ 425, 426
определение 421, 430, 431, 445
продукты фотохимической peaK
ции 445
Бензфлуорен 416, 417, 446
Бера Ламберта закон 24
Бериллий 454, 462
Биолюминесценция 11
Биохимия и биолоrия, флуоресцент
ный анализ 435
Бор, определение 463
Борат бензоиновыЙ комплекс 396,452,
463 465
Борат ион, определение 224, 395,
465
БромбеНЗ0Л 289, 417
Бромбутан 274
Бромнафталин 308
Бромпирен 338
Бутирофенон 307
Вазелин, флуоресценция 437
Вакуумные системы 226, 227
Ванадий 462
Вератровый альдеrид 469
Вероятность
переноса энерrии от триплета к
синr лету 115
к триплету 103, 108, 109
Витамин Аl 409, 435
Внутренний стандарт
измерения при низких температу-
рах 443
рамановские спектры 387, 399, 400
Внутренний фильтр, эффекты 211, 215,
218
в твердых средах 369
. отличие от тушения 210
поrлощение возбуждающеrо све-
та 28
Внутренняя конверсия 17, 73
Вода
вязкость 77
рамановские полосы 71
чистота 400
Водород, отрыв 95
Водородная связь 41, 356, 364
Возбуждение
выбор длины волны 420
применение ЭВ при реrистра-
ции 477
путем поrлощения света 15
спектр, автоматическая реrистра
ция 234
искажения 212, 216, 219
исправление 232
определение 29
применение для идентифика
пли 421
триплет синrлетный 310
термическое см. Термическая
активация
Возбужденное состояние
изомеризация 325
кинетика протолитических реак-
ций 321, 324
константы диссоциации 317, 327
равновесие 312
типы 36, 42
Возбужденный димер
быстрая флуоресценция 350
влияние температуры 334, 348,350
внутримолекулярное образование
343
время жизни 333
в твердых средах 344
замедленная флуоресценция 52,
103, 347, 350
образование 331, 341
общие механизмы возбуждения
352
пирена 330, 332 334, 336
спектр быстрой флуоресценции
330, 337, 340 346, 349
спектры замедленной флуоресцен-
ции 346, 349
стабилизация 341
термодинамические параметры
334, 338
типы 327
устойчивость 329
Возбужденный комплекс 323, 340
Воздуха заrрязнения, анализ 437, 438,
447
Волновое число
единицы измерения 13, 27, 151
определение 13
переход к длине волны 151
Вольфрам 462
Воск, флуоресценция 437
Время жизни
излучательное
определение 31
расчет 31, 32, 34
синrлетноrо состояния 74, 286
триплетноrо состояния 89, 297
измерение
импульсное возбуждение 255,
270
интерпретация кривых зату
хания 269
поляризационное 374
флуоресценции 253
замедленной 268, 270
фосфоресценции 268, 270
Встречи, константа скорости 76, 7,
256
Входная щель
освещение 141, 218
флуоресценция оптики 398
Вязкость растворителя 63, 76, 83, 104,
109, 274, 359, 372
rадолиний 448, 449, 457, 458, 469
fаллий 453, 462, 467
[ексан 363, 401
fексанол 363
fексафенилэтан 53
fептан 363
fерманий 462
fидразин 459
fлана Томпсона призма 277
fлиоксаль 447
fлицерин 77, 91, 93, 100, 273, 373
f люкоза, определение 436
fольмий 448, 458
[ормоны 478
fранит, анализ 468
[унда правило 43
Двухфотонные реакции 54 56
L(еполяризатор 279
Деполяризация
вращательная 63, 278, 282, 372
измерение 278
при вторичном испускании 282
при переносе энерrии 64, 85,
374
Диаминобензидин 466
Диаминонафталин 460, 467
Диаминофенилпиазселенол 389, 466
Диаминфеноксазин 442
Диантрацен 328, 329, 344, 370
Диантрилэтан 83, 361
Диацетил 50, 95, 256, 307, 308
Диацетилбензол 307
Дибензантрацен 308, 339
Дибензоакридин, определение 447
Дибензоилбензол 307-
Дибензоилметан 458
Дибензокарбазол, определение 447
Дибензотиофен 307
Дибензофуран, определение 424
Дибензпирен 339
Дизельное топливо 438, 443
Димер см. Возбужденный димер и Фо-
тодимер
Димеры, типы 327
Диметиламинонафталинфенилсульф-
амид 87
Диметиламинонафталинсульфамид 88
Диметиламинонафталинсульфонат на-
трия 195
Диметилам ино на фталинфенилсу льф-
<lМИД 87
L(иметиламинонитростильбен 415
Диметилантрацен 251, 298, 339, 343,
354
Диметилдитретбутилдиоксидифенпл -
сульфид 444
Диметилнафтиламин 308, 315, 327
Диметилнафтиламмоний ион 308
Диметоксибензофенон 470
Динафтацен 329
Диоксиазобензол 453, 454
Диоксиизонафталинсульфоновая ки
лота 234
Дипентацен 329
Дипольный момент
влияние сольватации 355
возбужденной молекулы 24
наведенный 22
постоянный 22
Дисперrирующий элемент 131
Дисперсия
линейная 132, 138, 139
уrловая 132
ПРЕДМЕТНЫй УКАЗАТЕЛЬ
ПРЕДМЕТНЫй УI<АЗА ТЕЛЬ
500
Диспрозий 448, 449, 458, 459, 470
определение 468, 469
Диссоциация, константы в основном
и возбужденном состояниях 317,
327
Дифенил 94, 266, 298, 339, 416, 439
Дпфенилазотный радикал 54
Дифениламин 54, 94, 367
ион радикал 54
Дифенилантрацен 251, 253, 289, 298,
339, 343
Дифенилен 82
окись 307
Дифенилоксазол 339
Дифенилполиены 363
Дифенилпропан 343
Дифенилпропанон 307
Диффузия
константы скорости, контролируе
мые диффузией 77
определение скорости диффузии
кислорода 444
процессы, контролируемые диф
фузией 76, 256, 359, 472
Дихлорантрацен 362
Дих.тюрбензофенон 307
Донор энерrии, триплет 94, 428, 433
Европий 88, 448, 449, 457, 458, 459,
469, 470
бензоилацетонат 457
определение 468, 470
салициловый альдеrид 457
трuс дибензоилметид 88
хелаты 459
Е- Тип замедленной флуоресценции
время жизни 101
кинетика 98, 100
определение 49
связь с интеРI: )v.бинационной кон-
версиеЙ 303
сенсибилизованнаи 127
характеристики 12п
эффективность 9R
Железо 199, 448, 452, 454
Жидкий парафин, скорости тушения
78
Замедленная флуоресценция
анниrиляционная 108, 111
артефакты и тривиальные эффек-
ты 275
взаимная сенсибилизация 122, 124
501
виды 47, 126
влияние вязкости 109, 361
Е тип, см. E Тип замедленной
флуоресценции
квантовый выход 265
наблюдение при фотохимических
реакциях 272, 370
определение 47 .
применение для оценки чистоты
веществ 430
Р тип, см. P Тип замедленной
флуоресценции
рекомбинационная 48, 55, 126
сенсибилизованная см. Сенсиби
лизованная замедленная флуо-
ресценция
спектры 92, 99, 116, 118, 123, 124,
265, 272, 294, 346, 349, 430 432,
434
тушение кислородом 472
Заместители, влияние на люминесцен-
цию 39, 40, 366, 413, 414, 417
Запрещенные переходы 43, 168, 169,
451
Зонная плавка
анализ веществ 422, 425
контроль очистки 226, 446
очистка веществ 275
спектральное распределение 158
163, 173, 174
схемы включения 165 167, 169,
171, 172
типы 170
фокусировка 142
Иттербий 458
Кадмий 454
Калибровка спектрофлуориметра
, исправление спектров 232, 237
по чувствительности 209
Каменноуrольная смола, анализ 426,
427
Карбазол 94, 307, 367
определение 423, 428
Карбонильная rруппа
колебательные полосы 363
орбитали 36, 38
Карбоновые кислоты, значения рК*
323
Каучук 422, 444
Кварц
анализ 463, 475
люминесценция 220, 223, 397,
475
Кверцетин 474
Квинтетное состояние 345, 352
Кинетика 69
быстрой флуоресценции 31, 74, 82,
286
замедленной флуоресценции E
типа 98
Р типа 102, 104, 110
сенсибилизованной 115, 122
протолитических процессов 312,
322, 324
процессов, контролируемых диф-
фузией 76, 108
с участием возбужденных ди,
меров 331, 345, 350, 353
синr летных состояний 286
триплетных состояний 297
фосфоресценции 89, 98
Кислород
определение 472
тушение 44, 224, 361, 440, 465,471,
472
удаление 224, 226, 271
Клеточный эффект 76
Кобальт 452, 454
Кокаин, определение 442
Колебательные полосы 16, 17, 19, 63,
361, 416, 450
Колебательные уровни 16
Коллиматор 131
Излучение черноrп тела 163, 164
Изопентан, очистка 273
Индий 453, 454, 462, 463
Индол 412
Интеркомбинационная конверсия
определение 43 45
скорость 73, 287, 297, 303, 304
участие атомных уровней 88, 456,
458
верхних триплетных состояний
46, 81, 84
Иодбензол 417
Иоднафталин 78, 308
Ионизирующее излучение, дозиметрия
по флуоресценции 439
Испускание света см. Свет
Испускания спектр
автоматическая реrистрация 243
искажение 213, 216, 219
исправление 237
построение 27, 243
Источники света
измерение спектральноrо распре-
деления 154
кожух 178
предосторожности при работе 176
размеры 141, 159, 161, 175
Коронен 308, 362
Коферменты, комплексы 374
Кошениль 474
Крезол 375
Кремний, анализ 463
Кристаллизация, влияние на полосы
испускания 420
Кристаллическая ре,шетка раствори-
теля, взаимодействие с paCTBopeH
ным ВЕ'ществом 362
Кристаллофосф6ры неорrанические
448, 450, 474
Критическое расстояние переноса
энерrии 86
Кровь, плазма 441
Ксантон 307
Ксилол 339
Лазер 35, 478
Лазерные материалы, анализ 475
Лампа
вольфрамовая 163, 164
кадмиевая 172, 173
ксеноновая 160, 162, 165, 166
натриевая 172
ртутная см. Ртутная лампа
ртутно кадмиевая 172
стандартная 187, 237, 238
цинковая 172, 173
Лантан 458
Лидокаин, определение 442
Люминал, определение 442
ЛlOминесценция
долrоживущая 257, 268
определение 11
поляризация 58, 60
Лютеций 458
Маrний 462. 474
Маrния ОЮiСЬ, ОТl)ажательная способ
н ос I Ь 238
алаXI:ТОНЫЙ зеленый 416
apraH(!( 454
eдь 454, 475
Мезитилен 339
Металлоорrанические соединения 451
етастабильное состояние 49
Метилакридинийхлорид 252
Метилантрахинон 364
Метил антрацен 251, 289, 298, 339
Метилбензантрацен 354
етилнафталин 94, 308, 338, 424
етилнафтиламин 315
етилпирен 338
етилциклоrексан 274
502
nРЕДМЕtНЬIй УКАзАТ1::ЛЬ
ПРЕДМЕТНЫй УI<АЗА ТЕЛЬ
503
етоксиантрахинон 364
етоксибензойная кислота 325
етоксинафталин 251, 293, 298, 417
ихлера кетон см. Тетраметилдиами
нобензофенон
одуляция возбуждаlOщеrо света 254
олеку лы rибкие и жесткие 361
олярный объем 372
OHoxpOMaTOpы 131
орин 474
оча, анализ 442
ультпплетность 42
Насыщенные соединения, поrлощение
света 37
Нафталин 94, 105, 123, 251, 266, 293,
2 8, 306, 307, 339, 348 350. 410, 412l
432, 433, 441
ПрOlfзводные 339
Нафталиндиол 317
Нафтальдеrид 307
Нафтацен 118, 119, 122, 216, 308, 339,
370, 410
Нафтеценхинон 307
НафтилаМIIН 251, 308, 313, 317, 327,
415
Нафтиламинсульфонат 313
НафтилаММОНИЙ rIOН 308
Нафтилфенилкетон 307
Нафтоат ион 308
Нафтойная кислота 308, 317, 324,
327
Нафтол 308, 314, 315, 317, 323, 327,
357
Нафтолсульфонат 317
НафТОЛЯТ IIOН 308, 415
Нафтофлавон 307
Неметаллы 459
Неодим 214, 215, 458
Неорrанические соединения
анализ 461
фотолюминесценция 448
Неподеленная пара, орбиталь 37
Нефтяные продукты
анализ 438, 443
определение 438, 442
Никель 452, 454
Николя призма 277
Никотин, определение 442
Никотинамид 460
Нитродиметиланилин 415
Нитродифенил 440
Нитрозонафтол 435
Нитронафталин 308
Нитроэтиланилин 266, 412
Новокаин, определение 442
Нор никотин, определение 442
Норэпинефрин, определение 435
(j * п 37, 39
11: * п 38, 39, 40, 44, 357, 359,
408, 412, 451, 455
11: * 11: 37, 38, 40, 43, 357, 359,
408, 412, 453, 455
, энерrия 41
Перилен 56, 123, 251, 253, 275, 293
295, 298, 339, 433
испускание паров 51
определение 421, 432
Пестицид, определение 447
Петролейный эфир 274
Пиазселенолы 263, 389, 411, 460, 466,
467
Пирен 104, 106, 124, 251, 272, 290,291,
293, 298, 299, 305, 307, 330, 332 334,
336, 338, 3.39, 345 347, 350, 352,354,
360 366, 433
альдеrид 357, 413
анализ 426, 433, 434
испускание паров 51
определение 430, 432, 440
производные 339
сульфонат 338
Пиридин 37, 38, 324, 411
Пировиноrрадный альдеrид 447
Пиррол 37, 38
Планка закон 163
Платина 475
Поrлощательная способность, опре
деление 26
Поrлощение света
время 20, 73
закон 24, 25
скорость 267
условия 16
Поr лощения спектр
интеrрирование 31, 32, 34
метод построения 18, 26
определение 26
примеры 18, 30, 48, 81, 342
ПОЛИВИНИЛПИРИДИН fl бутилбромид ,
371
Полимерные материалы как paCTBO
рители 444, 477
Полистирол 343
Полифенилы 363
Полосы, полуширина 135
Поляризатор 58, 277
Поляризация 56
зависимость от температуры и
вязкости 373
измерение 276, 279, 282, 284
примененпе 372
связь с переносом энерrии 375
спектр 61, 62, 281, 375
степень 58, 280
Озон, фотохимическое образование
168, 177
Оксибензальдеrид 94
Оксибензойная кислота 415
Оксинафтальrидразон 447
Оксинафтойная кислота 454
Оксипирен 357
Оксипиренсульфонат 313, 317
Оксипиридин 413
Окситетралон 436
Окситриптаминкреатининсульфат 236
Оксихинолин 452 454, 462, 474
Оксихинолинсульфонат 474
Октан 363
Олово 451, 461, 462
Оптическая плотность
измерение 248
определение 26
Орбитали
атомные 448, 456
молекулярные, типы 36, 37
Орrанические соединения
анализ 418
фотолюминесценция 408
Освещения методы 211
Палладий 474
Паратион, определение 447
Парафины, очистка 273
Паули принцип 42
Пентан 274
Пентацен 339
Пентаценхинон 437
Перенос заряда
комплексы 40
переходы 40
реакции 448
состояния 39, 408, 413
Переходные металлы 448, 452, 457
Переходы
в атомах 456
в атоме ртути 168
в сложных молекулах 16, 43
вероятность 30, 41, 44
запрещенные 44, 168, 169
классификация 38
момент 61, 62, 374
o o 19, 22, 23, 356
разрешенные 34, 168
скорости 72
электронные, типы 35, 36
(j * (j 37
Поляризованный свет 56
испускание 59, 60
поr лощение 57, 60
получение 277
Поляризующая пленка 278
Полярископ 279
Порфирины 435
Потенциальная энерrия, диаrрамма
20, 21, 45, 330
Потенциометр 206, 207, 208
Празеодим 458
Прерыватель для фосфориметра 257
259, 263
Призма, дисперсия 132, 145
Примеси 270, 360
Пропанол 274
Пропиленrликоль, очистка 273
Пропиофенон 307
Профлавин 124, 125, 251, 298, 303, 305
309, 371, 432, 433 '
рН, влияние на флуоресценцию 313
318 '
рК OCHoBHoro и возбужденноrо co
стояний 313, 316, 317, 323, 327
Р Тип замедленной флуоресценции
в жестких средах 104, 107, 109
возбужденных димеров 345, 348
350 '
время жизни 104, 299
затухание 107,111,113
метод исследования чистоты Be
ществ 271, 418, 430
описание 101
определение 53
отклонения от квадратичноrо за-
кона 110,114
при триплет синrлетном поrлоще
нии 311
характеристики 126
Равновесие протолитическое
в синrлетном состоянии 312, 317,
324, 325, 327
в триплетном состоянии 326, 327
Равновесия константы
в возбужденном состоянии 323
определение из измерения поля-
ризации 374
Радикалы, образование 53, 56, 370
Радиолюминесценция 11
Разделитель пучка 196
Рамана эффект 68, 69
Рамановские спектры
воды, проявление в спектрах ис
пускания друrих веществ 392
393, 401 о!
504
ПРЕДМЕТНЫй УКАЗАТЕЛЬ
np
ДM
1'HЫA УкАЭА1'
ЛЬ
506
источник фона 392, 394, 464
применение для проверки чувстви-
тельности прибора 386, 387
растворителей 69
71, 392
циклоrексана, проявление в спек-
трах испускания друrих ве-
ществ 394, 397, 399
этанола, проявление в спектрах
испускания друrих веществ
395, 396, 400
Рассеянный свет
виды 64
ВI5лад в фон 398
деполяризация 66, 67
мешающее действие 148, 397
от частиц 66, 67
Растворители
влияние 25, 40, 41, 354, 359, 362,
364, 365
ионизирующие, очистка 273
очистка 273
стеклообразные 54, 274, 370,
440
тесты на чистоту 270, 399
флуоресценция 397, 400, 401
Редкоземельные элементы 88, 448
450, 457, 459, 470
определение 468, 469, 474
Резерпин 478
Резонансные линии 169
Резорцин 436
Релаксация 22, 23
вращательная, время 63, 372
Релеевское рассеяние 65
Рибофлавин 435
Родамин Б 195, 235, 252, 253, 388,
416, 451
Родамина Б изоцианат 373
Рошона призма 277, 278
Ртутная лампа
BbIcoKoro давления 171
низкоrо даВЛ,еf!"ИЯ 1 f:8. i 61
преДОСТСРОi'КНОСТН при работе
176
cBepxBbIcoKoro Д<lв,п.еf"ИЯ 158, 160,
161
среднеrо давления !5
, 169
Ртутные линии, ВЫДеление 168, 18]
Ртуть, определенир 4Т5
Рубин, аНd:ШS 475
Рубрен 251
PYTeHI':.ii 462
Салицилиденаминофенол 453, 454
Салициловая кислота 325, 468
определение 439
Салициловый альдеrид 447, 454
семикарбаэол 453. 454
rидразон 447
Самарий 448
450, 458, 459, 469
определение 468, 469
Самопоrлощение 214, 216, 217, 219,
248
Свет
испускание, спонтанное и вынуж-
денное 35
интенсивность, измерение 185,
189, 191, 194, 198
модуляция 254
реrулирование 195
инфракрасный, возбуждение 56
поrЛОIЦения и испускания законы
24
потоки 161, 175, 176
природа 12
рассеянный см. Рассеянный свет
Светосила 143, 150
Свинец 453, 454
Селен 389, 460, 466
Селенистая кислота 460, 466, 467
Семитионин 368
Сенсибилизованная быстрая флуорес-
ценция 85, 87
Сенсибилизованная замедленная флу-
оресценция 115
антистоксова 122
124, 432
механизм 115
определение эффективности обра-
зования триплетов 291
перекрестная 124
применение в фотохимии 272, 370,
371
прямой метод анализа смесей 428
селективная 433, 434
спектры 116, 118, 272, 294, 430
432, 434
С
нсибилизованная фосфоресценция
94, 126
Сера, определение 460
Серебро 475
Сила осциллятора 34
Синr летное состояние
влияние тяжелых атомов 288, 289,
355, 417, 477
время жизни 43, 73, 74, 253
определение 42
скорости перехода 72, 286
типы 36, 411
энерrия 94, 298
рК 317, 327
Скандий 455
Смазочное масло, определени
439.
443
Смолуховскоrо уравнение 77
Сольватация 22, 23, 355
Сонолюминесценция 11
Спектральное распределение
Аля источников света 137, 138,
156, 158
163, 173, 174
света из монохроматора 133, 134,
136
Спектра чистота 133, 134, 136
Спектрометры 128
Спектрофлуориметр 128, 129
Спектрофлуорофотометр 128
Спектрофосфориметр 128, 257
260
Спектрофотофлуорометр 128
Спектры квазилинейчатые 363
Спирты алифатические, поrлощение
света 37
Стильбен 419
Стокса закон 19
Стокса
Эйнштейна уравнение 78
Стоксов сдвиr 325, 419
Сульфат, определение 460, 474
Сульфид, определение 460, 474
Сульфит, определение 460
Сульфосалициловая кислота, опреде
ление 468
Счетчик квантов 194, [95
Табак, анализ 442
Таллий 451, 461, 462
Темновой ток 192, 194
компенсация 208
Теноилтрифторацетон 468
Тербий 448
450, 458, 459, 469, 470
определение 468, 470
Термическая активация 19, 46, 49
51,
73, 97, 98, 300, 303
Термобатарея 186, 187
ТеJ;>молюминесценция 11
Тетрабромфлуоресцеин см. Эозин
Тетраиодфлуоресцеин см. Эритрозин
Тетраметилдиаминобензофенон 39, 41,
307, 413, 414
Тетраметилпарафенилендиамин 55
Тетрацен см. Нафтацен
Тетрациклин 478
Тиамин 474
Тиндаля рассеяние 66
Тиоксантон 307
Тионин 251, 368, 388, 389, 450
Тиохром 474
Тиоцианат 474
Тирозин 375, 376
определение 435
Т олуидин 54
Толуиловый альдеrид 469
Толуол 251, 308, 339, 416, 417
Торий 462, 474
Триацетилбензол 307
Триболюминесценция 11
Тривиальные эффекты 84, 125, 275
Триrидрометилхинолина полимер, оп-
ределение 444
Триоксииндола реакции 435
Триплетное состояние
бимолекулярное тушение 297
заселение 46
интеркомбинационная конверсия
297, 303
определение 42
параметры 297
поr лощение 54, 56
реакции 297, 370
скорость исчезновения 297
тушение основным состоянием 297
примесями 98, 271, 360
соединениями, содержащими
тяжелые атомы 288, 290
энерrия 94, 298, 306
308, 433
Триплетов время жизни
влияние примесей 298, 301, 302
растворителя 302
зависимость от вязкости 300,
359
значе,. ия 44, 72, 295, 298, 302
измерение 268, 297
обозначение 90
температурная зависимость 300
Триплетов эффективность образова-
ния 88
значения 289, 291, 293, 296, 298
определение 288, 291, 296
температурная зависимость 83,91
Триплет
синr летное
поrлощение 310, 478
расщепление 100, 41 О
TjJI,r;:;eT триплетное взаимодействие
53, 102, ll;7
.
109, 114. 116, 117, 123,
345, 351, 370
Триплеты акцепторов и доноров энер-
rии 94. 433
Триптофап З76. 435
Трифенилами
JG7
Трифенилен 251, 266, 293, 298, 307,
362, 411
определение 427, 428
Трифенилметилфенилкетон 307
Трифенилметильный радикал 53, 370
Трифенилпентан 343
Ту лий 458
Тушение люминесценции
кислородом 44, 224, 360, 440, 444,
465
506
nРЕДМЕТНЫР!: УКАЗАТЕЛЬ
метод изучения фотохимических
реакций 368
опредсление кислорода 471
отличие от эффекта BHYTpeHHero
фильтра 210
примесями 271, 360
расчет приближенный 79, 98
Штерна
Фольмера константа
75
Тяжелые атомы, влияние 289, 355, 417,
477
Уrлерод четыреххлористый 71, 216
Уксусный анrидрид 459, 468, 470
Умбеллоферонкарбоновая кислота 436
Уран 450, 475
определение 461, 475
Фармаколоrический анализ 441
Фенантрен 51, 92
94, 101, 104, 106,
107, 109, 115, 116, 123, 251, 260, 266,
271, 272, 293, 298, 307, 345, 363, 375,
410
анализ 402, 403, 430
испускание паров 51
определение 420, 428
Фенантролин 199, 468
Фенилаланин 375, 435
Фенилантрахинон 364
Фенилантрацен 252, 289, 298
Фенилrлиоксаль 307
Фенилендиамин 460
Фенилнафталин 416, 417
Фенилнафтиламин 216, 266, 411,' 416,
417, 422
Фенилнафтиламины, определение 422,
444
Фенол 54, 251,266,308,317,356,411,
414, 415
Фенолфталеин 416
Фенолы
значения рК * 317, 323, 327
определение 447
Феl!отиаЗIIН, определение 447
Ферриоксалат калия, химический ак-
тинометр 199
Фильтры 178
для избавления от рассеянноrо
света 398
кривыe пропускания 179, 180, 464
для отсечения рамановских полос
395, 464
для реrистрации флуоресценции
148
для флуориметрии 1831 464
Флавон 307
Флуорантен 104, 251, 298, 299, 301
определение 426, 428
Флуорен 251, 266, 267, 307, 308, 411,
416, 417
анализ 422, 423, 431
определение 402, 403, 420
Флуоренон 307
Флуоресцеин 49, 85, 86, 197, 217,
233
235, 250, 251, 253, 388, 416,417,
472
в борнокислотном стекле 50
изоцианат 373
Флуоресценция
аНТИСТОКСОI3а 20, 403, 404
быстрая 48, 126
вращательная деполяризация 63
время жизни 72, 74, 253, 286,
374
зависимость от вязкости 361
от рН 312, 314, 318
от растворителя 354
от температуры 47, 82, 465
замедленная см. Замедленная
флуоресценция
из верхних возбужденных состоя-
ний 80
82
интенсивность 28
квантовый выход (эффектив-
ность), выражение 74
rибких молекул 83
значения 250, 251, 266,
291, 293, 298, 454
измерение 246
определение при низких
температурах 267
связь с образованием
триплетов 83, 89, 293
температурная зависи-
мость 82
кинетика испускания 30
кривые затухания 255, 333
определение 47
показатель чувствительности 388,
389
поляризация 58, 61, 372
природа 17
самопоrлощение 214, 216, 217,219,
248
связь со структуроЙ молекул 37.........
39, 358, 408, 448
сенсибилизованная 85
спектр возбуждения, авТоматиче-
ская реrистрация 234, 235
аппаратура 128
исправление 232, 233
определение 29
ПРЕДМЕТНЫй УКАЗАТЕЛЬ
507
спектр возбуждеН<IЯ, примеры 30,
212, 21 З, 23.3, 236, 422
связь со спектром поrло-
щения 30
спектры испускания, автоматиче-
ская реrистрация 243, 244
аппаратура для реrистра-
пии 128
.
зеркальное отражение спек-
тра поrлощения 18, 19, 48
исправление 237, 240
построение 18, 27, 243
стандартных веществ 250
тушение из-за образования комп-
лексов 76
из-за переноса энерrии 87, 288
химической реакции 288
кислородом 471
применение как метода анали-
за 439, 44S, 469
при исследовании фотохи-
мических реакций 368
при переносе заряда 288
Столкновении 76
самотушение 76, 85, 219, 220,
329
тяжелыми атомами 288, 289
чувствительность измерения 29
Флуоресцирующие вещества стандарт-
ные 150(250
?)
Флуориметр 128
Флуороrраф 477
Флуорометр 128, 254
Флуорофотометр 128
Фон, причины
антистоксова флуоресценция 404
влияние расположения образца
221
люминесценция кюветы 397
мноrокомпонентность образца 402
463 '
примеси в исследуемых вещест-
вах 399, 463, 464, 466
в растворителях 399
рамановское рассеяние 392, 464
рассеянный свет 398
фоторазложение исследуемых ве-
ществ 406, 465
Фосфат, определение 474
Фосфоресценция
адсорбированных веществ 447
в жидких растворах 50
время жизни 44, 91, 92, 94, 266
299 '
зависимость от вязкости 359
от температуры 91
93
определение 44, 48
поляризация 58, 373, 375
рекомбинационная 48, 55, 56,
126
связь со строением молекул 408
сенсибилизованная 94, 126
скорость 72
спектр возбуждения 310, 441,442
испускания 48
примеры 92, 99, 260, 263,
411
413, 423
427, 441, 443
тушение 92, 95, 472
характеристики 126
эффективность 89, 91, 265, 266,
454
о>Фосфоресценция 50, 51
-Фосфоресценция 50, 51
Фосфориметр 129, 257, 260
Фосфоры неорrанические 450
Фотодетекторы 185, 186, 189, 191 194 ,
198 '
Фотодимер 328, 329, 339, 342, 370
Фотодиссоциация 53
Фотоионизация 54
Фотоокисление 54, 465
Фотоумножители 191, 205, 209, 255
Фотохимические продукты, анализ
367, 445
Фотохимические реакции, применение
люминесцентных методов анализа
313, 367, 369
371, 406, 444, 466
Фотохимия, законы 14
Франка
Кондона принцип 20 21
Фталевый альдеrид 437, 459 '
Фтора ион, определение 474
Фторнафталин 308, 338
Хелаты 451, 453, 455, 459, 468
Хемилюминесценция 11, 96
Хинин
бисульфат 18, 86, 137, 212
216,
233, 250, 251, 384, 388, 389 393
394 ' ,
сульфатпериодид 278
Хинолин 308, 327, 357, 412
Хинолиний
ион 308
Хлорамин Т 460
Хлорантрахинон 363
Хлорбензол 417
Хлорнафталин 94, 308
Хлорофилл 251, 296
298, 302, 309,
358
Хлороформ 71
Хлорпирен 338
Хлорпромазин 478
определение 442
Хлорциан 460
503
ПРЕДМЕТНЫй УКАЗАТЕЛЬ
Хризен 106, 251, 293 298
анализ 431, 432
определен rie 425, 427
Хром 452 454, 457, 475
XpoMaTorpaMMa 226, 447
Цветовая температура 165
Церезин 437
Церий 451, 461
Цианбензофенон 307
Циамид, определение 460, 474
Цианпирен 338
Циклоrексан
константы скорости, контролируе
мые диффузией 77
кристаллические формы 367
рамановские полосы 71
чистота 273, 400
, Циклоrександион, определение 437
Цинк 454, 462
Цирконий 462
Чувствительность 383
абсолютная 387, 388, 467, 468
изменение 205
использование рамановских спект-
ров для оценки 387
калибровка 209
метода 384, 390, 466
оrраничение из-за фона 384, 390
показатель 388, 389, 467
прибора 383, 384, 386, 387
спектральная 99, 157, 237, 241,
242, 265
фотолюминесцентноrо анализа
380, 383
Шпольскоrо спектры 138, 150, 364
366, 445
Шпольскоrо эффект 361
Штерна Фольмера уравнение 75
Шума уровень 207, 270, 391
Эйнштейн, един;ща измерения 12
Эйнштейна фо;'мула 35
Эксимер, Оf!ределение 52, 53
Эксимеры см. Возбужденные димеры
Эксрплекс 341
Экспериментальные методы 128
Экстинкция, коэффициент 25, 26
Электролю.vrинесценция 11
Электрона спин 42
л-Электронная система, флуоресцен-
ция 37
Электронно вычислительные машины
(ЭВМ), применение в работах по
фотолюминесценции 243, 469, 477
Электронное возбуждение 16
Электроноакцепторные rруппы 39
л-Электронов сопряжение 409
Электронодонорные rруппы 39
Электрон сольватированный 54
Электрохемилюминесценция 344, 354
Энерrия, диаrрамма уровней 16, 43
Энерrия
единицы 13
молекул 16
перенос внутримолекулярный 87,
455
деполяризация при 64, 85, 375
к ионам металлов 459
от синrлета к санrлету 85, 87,
256, 88
от триплета к синrлету 94, 96,
97
от триплета к триплету 101,
103, 105, 108, 116, 304, 351
по механизму дальнодействия
64, 85, 105, 108, 351, 375
уровни кислои и ОСновной форм
316
уравнение 15
Энтальпия 326, 328, 336, 338
Энтропин 335, 338
Эозин 50, 91, 98, 99, 100, 123, 125, 250,
251, 298, 302, 304, 309, 360, 388, 417,
433
Эпинефрин, определение 435
Эрбий 458
Эритрозин 417
Эску лин 195
Этанол 71, 77, 273, 27 373, 400
Этилбензол 416
Этилен 37
Этилендиаминтетрауксусная кислота
(ЭДТК) 468
Этиловый эфир 274
Этилпирен 366
Этилфенишлиоксалат 307
Эфиры 37
СОДЕРЖАНИЕ
Предисловие
Из предисловия автора
rлава 1. Основные принципы и определения
А. Люминесценция и фотохимия
Б. Флуоресценция ...... ...
В. Фосфоресценция и замедленная флуоресценция
r. Поляризация фотолюминесценции
Д. Рассеяние света ............
r лава 11. Кинетика фотолюминесценции
А. Скорости переходов . . . .
Б. Флуоресценция . . . .
В. Кинетика фосфоресценции . . . .
r. Кинетика замедленной флуоресценции
Д. Сводка типов фотолюминесценции
5
8
11
11
17
42
56
64
72
72
. 74
88
98
125
rлава 111. Аппаратура и методы эксперимента . . . . . 128
А. Общие замечания 128
Б. Монохроматоры 131
В. Источники света 154
r. Фильтры . . . 178
Д. Детектирование и измерение света физическими методами 185
Е. Химические методы измерения света . . . . . . . . . . . 198
Ж. Усиление и реrистрация сиrнала. фотоумножителя . 205
3. Факторы, определяющие выбор rеометрическоrо расположения
образца . . . . . . . . . . . . . .
И. Кюветные отделения и кюветы для образцов
К. Исправление спектров .........
Л. Измерение KBaHToBoro выхода флуоресценции
М. Измерение времени жизни флуоресценции
Н. Измерение долrоживущей люминесценции
О. Измерение поляризации люминесценции
210
222
232
246
. 253
257
276
rлава IV. Специальные вопросы и применение
А. Определение параметров низшеrо возбужденноrо синrлетноrо
состояния ...............
Б. Параметры триплетноrо состояния . . . . . .
В. Химическое равновесие в возбужденном состоянии
r. Возбужденные димеры и быстрая флуоресценция .
Д. Возбужденные димеры и замедленная флуоресценция
Е. Влияние растворителя .. . . . . . . . . . .
Яблонскоrо диаrрамма уровней 43, 49
Яблочная кислота, определение 436
. 286
286
297
312
327
345
. . 354
510
СОДЕРЖАНИЕ
Ж. Измерения фотолюминесценции при изучении необратимых фото-
химических реакций . . . . . . . . . . . . . . . . 367
3. Применение поляризационных измерений 372
rлава V. Применение в аналитической химии . 377
А. Общие замечания . . . . . . . . . . . . . 377
Б. Чувствительность ..... . . . . 383
В. Факторы, способствующие появлению люминесцентноrо фона 392
r. Связь люминесценции орrанических соединений с молекулярной
структурой . . . . . . . . . . . . . . . . . 408
Д. Анализ орrанических веществ . 418
Е. Связь люминесценции неорrанических и элементоорrанических
соединений со структурой . . . . . 448
Ж. Анализ элементов и неорrанических соединений 461
3. Дальнейшие перспективы . . . . . 476
УВАЖАЕМЫй ЧИТ А ТЕЛЫ
Обозначения
Общая литература
Литература
Дополнительная литература
Предметный указатель . . . .
Ваши замечания о содержании книrи, ее оформ-
лении, качестве перевода и друrие просим рисы-
лать по адресу: 129820, Москва, И 1l0, rсп, l-и Риж-
ский пер., 2. Издательство «Мир».
479
485
4 6
496
497
С. ПАРКЕР
ФОТОJlюминесценция растворов
Редактор И. В. АМ1Ссеева
Художник Н. Я. Вовк.
Художественный редактор Н. r. Блинов
Технический редактор Н. д. ТОЛСТЯ1Сова
Сдано в набор 13/Х 1971 r. Подписано к печати 25/Н 1972 r.
Бумаrа тип. Jo6 2 6OX90 1 / 11 ...16,O бум. л. Усл. печ. л. 32
Уч.-изд. л. 31,57. Изд. Н! 3/5957. Цена 3 р. 37 к..
Зак.
! 1281
ИЗДАТЕЛЬ
ТВО «МИР»
Москва, l-й РltжсКИЙ пер., 2
Ордена Трудовоrо KpacHoro Знамени
Ленинrрадская типоrрафия Н2 2
имени Евrении Соколовой fлавполиrрафпрома
Комитета по Печ.а.
Рil
ORt!Т!!
ПRИСТрОВ СССР
ИзмайловскИЙ проспект, 29