Фотолюминесценция растворов - Паркер С.

Author: Паркер С.

Tags: аналитическая химия люминесценция

Year: 1972

Similar

Экспериментальные методы химии высоких энергий

Экспериментальные методы химической кинетики

Люминесцентный анализ вещества. Пособие для студентов

Органические люминофоры

Text

PHOTOLUMINESCENCE OF SOLUTIONS
With Applications to Photochemistry
and Analytical Chemistry
C. A. PARKER, Ph. D., D. Sc., F.R.M.S., F.R.I.C.
Royal Naval Scientific Service
Admiralty Materials Laboratory,
Holton Heath, Poole, Dorset, England
ELSEVIER PUBLISHING COMPANY
AMSTERDAM—LONDON-NEW YORK
1968
С. ПАРКЕР
ФОТОЛЮМИНЕСЦЕНЦИЯ
РАСТВОРОВ
Перевод с английского
канд. хим. наук И. Л. КОМИССАРОВОЙ и
канд. хим. наук Б. м. УЖИНОВА
Под редакцией
доктора физ-мат. наук Р. Ф. ВАСИЛЬЕВА
ИЗДАТЕЛЬСТВО «МИР»
Москва 1972

yftKW.14
В книге рассмотрены основные понятия, закономерности и
методы исследования фотолюминесценции растворов, а также ее
применения в аналитической химии (качественный и количествен-
ный анализ органических и неорганических веществ, а также их
смесей) и для определения параметров возбужденных электрон-
ных состояний органических молекул. Автор ее — активно и пло-
дотворно работающий ученый, с именем которого ассоциируется
ряд крупных достижений в области молекулярной люминесцен-
ции. Монография адресована как начинающим исследователям,
для которых она может служить учебником, так и опытным ра-
ботникам, которым полезны многочисленные примеры и ссылки
на литературу.
Редакция литературы по химии
нд. 2-5-4
74-71
ПРЕДИСЛОВИЕ
Автор настоящей книги — активно и плодотворно работаю-
щий исследователь, тонкий экспериментатор, с именем которого
ассоциируется ряд крупных достижений в области молекулярной
люминесценции: обнаружение триплет-триплетной аннигиляции,
создание остроумной схемы спектрофосфориметра, исследова-
ния и применения замедленной флуоресценции.
Книгу можно рассматривать как введение в люминесцентную
спектроскопию и люминесцентный анализ растворов; написана
она с позиций прежде всего фотохимика и химика-аналитика и
адресована широкому кругу исследователей — химикам, физи-
кам, биологам.
В гл. I 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 гл. II охарактеризована кинетика люминесценции разных
видов. Автор рассматривает кинетические схемы, учитывающие
внутримолекулярные и межмолекулярные процессы, и выводит
уравнения, которые используются для обработки результатов
эксперимента и получения на их основе кинетических характери-
стик этих процессов.
Много внимания уделено методическим вопросам (гл. 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-
чение которой и является целью эксперимента. Описаны способы
автоматического учета спектральной неоднородности источников
и детекторов при записи спектров люминесценции, возбуждения
и поляризации.
В гл. IV обсуждаются разнообразные применения люминес-
ценции, такие, как определение параметров возбужденных со-
стояний, изучение химического равновесия в возбужденном со-
стоянии, роль эксимеров и эксиплексов, влияние растворителя
на люминесценцию, применение люминесцентных измерений в
фотохимических исследованиях, применение поляризационных
измерений. В специальном разделе рассказано об испрдьзовании
квазцлинейчатых спектров (эффект Шпольского),
6
ПРЕДИСЛОВИЕ
Гл. V посвящена аналитическим применениям люминесцен-
ции — определению строения и количественному анализу орга-
нических и неорганических веществ, а также их смесей.
Разнообразие интересов автора позволило ему охватить из-
бранную им отнюдь не узкую область, основываясь главным об-
разом на собственных работах; так, подавляющая часть рисун-
ков, примеров, таблиц взята из работ автора и его сотрудников.
Это обстоятельство придает книге особый колорит — читатель
получает информацию «из первых рук». Особенно это чув-
ствуется в гл. III, где суммирован многолетний опыт автора в
разработке и использовании методики, высокая чувствительность
которой делает особенно опасным пренебрежение влиянием мно-
гих мешающих факторов, которые могут проявиться самым не-
ожиданным образом.
Вероятно, вкус автора сказался в том, что в книге лишь сов-
сем кратко рассматриваются теоретические вопросы, например
связь строения с люминесцентными свойствами соединений.
В книге сравнительно мало места уделено люминесцентному ана-
лизу неорганических соединений. Читатель может восполнить
этц пробелы, воспользовавшись недавно вышедшими книгами
[1,2], а также литературой, указанной в библиографии к ним.
За время после выхода в свет книги Паркера на английском
языке появился ряд монографий и обзоров (ссылки на них даны
в библиографии, см. стр. 496) и начали издаваться два новых
международных журнала [3]. Были получены новые результаты
(в частности, в области люминесценции биологически важных
соединений [4]), предложены новые методы исследования. Осо-
бенно надо отметить революционизирующее влияние применения
лазеров. Исключительно малая продолжительность импульса,
сравнимая с временами внутримолекулярного перераспределе-
ния электронной энергии, а также высокие мощности излучения
сделали возможным прямое измерение скоростей внутренней
и интеркомбинационной конверсии [5], исследование синглет-
синглетной и триплет-синглетной аннигиляции [6] и синглет-син-
глетного (Sn<-Si, n> 1) поглощения [7,8]. Наконец было об-
наружено испускание из самого нижнего синглет-возбужденного
состояния азулена [9].
Нет сомнения, что в ближайшие годы значение и примене-
ние фотолюминесценции растворов будет возрастать, появятся
новые методики, возникнут новые задачи. Некоторые прогнозы
относительно будущего фотолюминесценции растворов даны в
очень интересном заключительном разделе книги.
Гл. I, II, IV и V переведены канд. хим. наук Н. Л. Комиссаро-
вой, гл. III — канд. хим. наук Б. М. Ужиновым.
ПРЕДИСЛОВИЕ 7
1. Нурмухаметов Р. Н., Поглощение и люминесценция органических соедине-
ний, изд-во «Химия», М., 1971.
2, Божеволънов Е. А., Люминесцентный анализ неорганических веществ, изд-во
«Химия», М., 1966; Столяров К. П., Григорьев Н. Н., Введение в люминес-
центный анализ неорганических веществ, изд-во «Химия», М., 1967.
3. Journal of Luminescence, North Holland, Amsterdam; Molecular Photoche-
mistry, Marcel Dekker, New York.
4. Eisinger J. et al., Nature, 226, 113 (1970).
5. Rentzepis P. M., Chem Phys. Letters, 2, 117 (1968).
6. Babenko S. D. et al., Chem. Phys. Letters, 8, 598 (1971).
7 Porter G.t Topps M. R., Nature, 220, 1228 (1968); Proc. Roy. Soc.? A315, 163
’ (1970).
8. Goldschmidt C., Isr. J. Chem., 8, 29 (1970).
9. Rentzepis P. M. et al., Chem. Phys. Letters, 4, 599 (1970).
P. Васильев
ИЗ ПРЕДИСЛОВИЯ АВТОРА
Необычный рост числа 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 химического анализа. Многие важные
достижения в теории и практике фотолюминесценции достаточно
подробно обсуждаются лишь в оригинальных статьях и обзорах,
рассеянных по многочисленным журналам. По этой причине уже
давно существует потребность в книге, в которой начинающий
исследователь мог бы найти систематическое изложение основ-
ных принципов, а опытный специалист — источник ссылок на
оригинальные работы. Именно такая двойная цель и преследо-
валась при подготовке настоящей книги. Поэтому она написана
в первую очередь для фотохимика и химика-аналитика, но будет
полезна и всем тем, кто занимается измерением фотолюминес-
ценции.
В книге рассматриваются главным образом жидкие рас-
творы, как текучие, так и стеклообразные, но некоторое внима-
ние уделено и твердым растворам и адсорбатам. Люминесцен-
ция газов и кристаллов не обсуждается вовсе, однако большая
часть сведений, включенных в главу о методике эксперимента,
может быть использована и при исследовании этих видов лю-
минесценции. В некоторых частях книги довольно много мате-
матических расчетов, но это несложные алгебраические выклад-
ки, относящиеся к кинетике фотохимических реакций или к
работе оптических приборов. Изложение многих вопросов начи-
нается с формулирования основных принципов, поэтому мате-
риал должен легко усваиваться читателями, впервые знакомя-
щимися с этими вопросами. В книге нет квантовомеханических
расчетов, и понятия молекулярных орбиталей, уровней энергии,
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 строго.
Значительное место отведено изложению принципов, лежа-
щих в основе работы различных узлов спектрофлуориметров и
спектрофосфорйметров, а также тому, как объединить эти узлы
ПРЕДИСЛОВИЕ АВТОРА
9
в приборы высокого качества. Это было сделано с целью снаб-
дить читателя достаточными знаниями для того, чтобы он смог
собрать свою собственную установку или же судить об относи-
тельных достоинствах тех или иных продажных люминесцентных
спектрометров и их пригодности для решения определенной за-
дачи. В книгу намеренно не включены характеристики конкрет-
ных продажных приборов, поскольку они могут скоро оказаться
устаревшими, а сведения о новых приборах можно получить не-
посредственно от фирм-изготовителей. Подавляющая часть гла-
вы о методике эксперимента суммирует собственный опыт ав-
тора; определенное влияние на построение этой главы оказали
многочисленные консультации по вопросам методики, которые
автору приходилось давать в течение последних десяти лет.
Для фотохимиков и физиков будет особенно интересна
гл. IV, в то время как гл. V адресована в первую очередь хими-
кам-аналитикам. Можно надеяться, однако, что и те, и другие
найдут интересный материал в обеих главах. С одной стороны,
многие аналитические методики появились в результате чисто
теоретических исследований процессов фотолюминесценции, а с
другой — приготовление и анализ чистых веществ играют чрез-
вычайно важную роль во многих исследованиях по фотолюми-
несценции. Книга не является руководством по фотолюми-
несцентным методам анализа, но гл. V и соответствующие раз-
делы других глав дают четкое представление о тех типах анали-
тических проблем, которые можно решить при помощи измере-
ний фотолюминесценции, и о том, как практически приступить
к решению этих проблем.
Примеры, иллюстрирующие тот или иной аспект предмета
монографии, во многих случаях заимствованы из собственных
работ автора. Не менее удачные примеры можно легко найти
и в других работах, однако число приводимых примеров было
ограничено объемом книги.
С. А. Паркер
Пул, Дорсет
Апрель 1968 г.

Глава I
ОСНОВНЫЕ ПРИНЦИПЫ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ
А. ЛЮМИНЕСЦЕНЦИЯ И ФОТОХИМИЯ
1. Люминесценция
Свечение нагретых тел, обусловленное только нагреванием
до высокой температуры, называется испусканием накаленных
тел. Все другие типы испускания света называются люминес-
ценцией. При люминесценции система теряет энергию и для ком-
пенсации этих потерь нужно подводить энергию извне. Как пра-
вило, разновидности люминесценции классифицируются именно
по типу этого внешнего источника энергии. Так, свет газоразряд-
ной лампы или лазера на основе арсенида галлия представляет
собой электролюминесценцию, возбуждаемую электрическим то-
ком, проходящим через ионизованный газ или полупроводник.
Самосветящийся циферблат часов обладает радиолюминесцен-
цией, возникающей под действием частиц высоких энергий —
продуктов распада радиоактивных примесей к фосфору. Энер-
гия химических реакций возбуждает хемилюминесценцию, а если
это происходит в живом организме, то такое испускание назы-
вают биолюминесценцией, примерами которой служит свечение
светляков и так называемая «фосфоресценция» моря. Особую
разновидность хемилюминесценции представляет собой термо-
люминесценция, возникающая в том случае, когда при нагрева-
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 энергию, поглощая инфракрасный, видимый или
ультрафиолетовый свет.
Изучение большинства разновидностей люминесценции мо-
жет Дать определенную информацию о химическом составе си-
стемы и о процессах, протекающих после поглощения энергии
возбуждения. С этой точки зрения один из наилучших спосо-
бов фотовозбуждение, ибо в этом случае удается хорошо
контролировать условия опыта. Выбирая определенную длину
волны возбуждающего света, можно подвести энергию к опре-
деленному компоненту химической системы и избавиться таким
12
глава 1
образом от осложнений, возможных в том случае, когда энергия
поглощается всей системой. Исследования фотолюминесценции
и фотохимических реакций должны рассматриваться в рамках
единых представлений, поскольку процессы, приводящие к испу-
сканию света, тесно связаны с процессами, результатом которых
является фотохимическое превращение.
2. Природа света
Чтобы понять особенности взаимодействия света с веще-
ством, необходимо использовать две модели, дополняющие друг
друга и на первый взгляд противоречащие друг другу: волновую
и корпускулярную. Волновая модель объясняет явления, при
которых не происходит поглощения света — отражение, прелом-
ление, дифракция. По электромагнитной теории Максвелла сме-
щения, составляющие колебание, представляют особой изменяю-
щиеся электрическое и магнитное поля, которые колеблются во
взаимно перпендикулярных направлениях и перпендикулярно
направлению распространения волны. Взаимодействие света с
веществом рассматривается как взаимодействие электрического
поля волны с электронами атомов. Волны характеризуются ча-
стотой v и длиной волны X, связанными соотношением
Xv = c, (1)
где постоянная с — скорость света в вакууме (~3-1010см/с).
Для описания поглощения и испускания света используется
квантовая теория, в основе которой лежит представление о том,
что лучистая энергия может поглощаться только определенными
порциями, или квантами. Энергия Е, переносимая одним кван-
том, пропорциональна частоте колебаний:
E = hv = hc/k эрг, j . , (2)
где h — постоянная Планка (6,624-10"27 эрг-с). Следовательно,
монохроматический пучок радиации можно характеризовать не
только длиной волны или частотой, но также и величиной кван-
та. При химических исследованиях количество вещества удобно
измерять в грамм-молекулах, содержащих N отдельных моле-
кул (N = 6,023-1023). Соответственно в фотохимии наиболее
удобная единица энергии равна 6,023-1023 квантам, или Nhy эр-
гам. Эта единица носит название эйнштейн. Таким образом,
если на один поглощенный квант реагирует одна молекула, по-
глощение одного эйнштейна света приводит к превращению од-
ного моля вещества.
В соответствии с уравнением (2) величина эйнштейн чрез-
вычайно сильно меняется от одного до другого конца спектра
электромагнитных волн (табл. 1). Так, 1 эйнштейн гамма-лучей
ОСНОВНЫЕ ПРИНЦИПЫ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ
13
эквивалентен примерно 107 ккал, ультрафиолетового и видимого
света—102 ккал, света далекой ифракрасной области — около
Ю"1 ккал, а длинных радиоволн — всего лишь около 10-8 ккал.
Таблица 1
Приблизительные величины квантов
Тип излучения X, см V, мкм-1 Величина кванта, эВ Величина эйнштейна, ккал Природа поглощения или испускания излучения
Гамма-лучи 10-1° 106 1,2- 106 2,9 • 107 Ядерные реакции
Рентгеновские лу- кг8 10’ 1,2-104 2,9 • 105 Переходы вну-
чи тренних элек-
тронов в атоме
Ультрафиолето- 10~5 ю1 1,2- 101 2,9 • 102 Переходы внеш-
вые лучи | 4-Ю-5 2,5 3,1 7,1 • 10* них электронов
Видимый свет 8-Ю-5 1,25 1,6 3,6 • 10* в атоме
Инфракрасное 10-3 10-1 1,2-10"’ 2,9 Колебания моле-
кул
Инфракрасное, да- ю-2 10-2 1,2- 10~2 2,9- 10"1 Вращение моле-
лекая область кул
Ультракороткие 101 10~5 1,2- 10-5 2,9 • 10~4 Колебания по-
радиоволны движных или
Длинные радио- 105 10-9 1,2- 10~9 2,9 • 10-8 свободных
волны электронов
Примечание. Ниже приведены значения величин в различных единицах для
излучения в близкой инфракрасной области:
Длина волны X.......... 10“4 см = 1,000 микрометр (мкм)= 1000 нанометров (нм)
Волновое число v . . . . 104 см-1 = 1,000 мкм"1
Частота V.............. 2,998*1014 с”1
Энергия эйнштейна . . . 28,57 ккал/моль
Энергия кванта......... 1,986* 10“12 эрг= 1,240 электронвольт (эВ)
1 /йнштейн/с=: 1,196* 108/Х ватт (Вт) (А, в нм)
ид—-п. ' ,• '-'у ............—.
Таким образом, указанные виды излучения несут существенно
различные порции энергии, и следует ожидать, что они отли-
чаются друг от друга механизмом поглощения 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 данного способа выражения частоты
перед числом колебаний в секунду. Если у выражено в см4, то
вместо уравнения (2) можно записать
Е = hey эрг.
(3)
14
ГЛАВА I
В примечании к табл. 1 указаны и некоторые другие единицы из-
мерения длины волны, частоты и энергии.
Для фотохимика наиболее интересны ультрафиолетовая и
видимая области спектра. При поглощении 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 играет излуче-
ние с длинами волн больше 1,5 мкм (близкая инфракрасная об-
ласть), поскольку химические реакции с энергиями активации
много меньше 20 ккал/моль (эту энергию несет квант света в
близкой инфракрасной области) могут протекать в темноте при
комнатной температуре за счет термической активации. Но в не-
которых системах излучение более длинных волн может быть
фотохимически активно при низких температурах.
3. Фотохимия
Общеизвестно, что солнечный свет облегчает протекание хи-
мических реакций; примерами служат выцветание тканей и об-
разование зеленой окраски растений. Можно сказать, что и снаб-
жение пищей всего животного мира в конечном' счете зависит
от фотохимических реакций, осуществляющихся в растениях под
влиянием солнечного света. Количественное изучение фотохими-
ческих реакций началось после того, как Гроттус сформулиро-
вал в 1817 г. первый закон фотохимии: «Фотохимическое превра-
щение вызывается только тем светом, который поглощается си-
стемой». Второй закон фотохимии был впервые сформулирован
Штарком (1908 г.), а затем Эйнштейном (1912 г.): «На одну
молекулу вещества, участвующего в фотохимической реакции,
поглощается один квант света». Этот закон был выведен для са-
мых простых реакций и, строго говоря, применим только к пер-
вичному фотохимическому процессу, т. е. образованию в акте
поглощения возбужденной частицы, поскольку некоторые возбу-
жденные молекулы могут тем или иным путем возвращаться в
начальное состояние, например путем испускания люминесцен-
ции. Кроме того, даже если в реакцию вступают все молекулы,
первичные продукты часто оказываются неустойчивыми и под:
вергаются дальнейшим превращениям. В исследованиях фотохй/
мических реакций важным понятием является квантовая* эф-
фективность, впервые введенная Эйнштейном. При определении
этой величины можно взять за основу либо число прореагиро-
вавших молекул исходного реагента, либо число молекул оппе-
деленного продукта (Д), получившихся в реакции, в расчет:,
ОСНОВНЫЕ ПРИНЦИПЫ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ
15
один поглощенный квант света:
Квантовая эффективность разложения =
__ Разложившееся вещество, моли
Поглощенный свет, эйнштейны ’ ' '
Квантовая эффективность образования продукта А =
_______Продукт Л, моли_____ /р-ч
Поглощенный свет, эйнштейны ’ ' '
Аналогично можно выразить и эффективность фотолюминес-
ценции:
Квантовая эффективность фотолюминесценции =
__ Испускание света, эйнштейны
Поглощенный свет, эйнштейны ’ ' '
Часто реакции, следующие за первичным фотохимическим
актом, носят сложный характер, и квантовый выход фотохимиче-
ской реакции может варьировать от миллиона (взрыв смеси во-
дорода и хлора) до малой доли единицы (выцветание свето^
стойких красителей). Задача фотохимика — понять как первич-
ный 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
поглощения света, а квантовая эффективность фотолюминесцен-
ции никогда 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 Шредингера. Решая это дифференциальное
уравнение для какой-либо системы, можно получить значения
энергии различных возможных состояний, или уровни энергии,
на которых может находиться система. Поглощение атомом или
молекулой кванта света может произойти только в том случае,
если величина кванта точно равна разности энергий двух состоя-
ний, возможных для системы. В результате поглощения кванта
света система переходит с нижнего уровня (£1) на более высо-
кий уровень (£2) •
hv = E2 — El. (7)
Колебательное и вращательное движение молекулы тоже
квантуется, т. е. колебательная и вращательная энергия погло-
~я или теряется только дискретными порциями. Поэтому
16
ГЛАВА I
полная энергия определенного состояния молекулы может быть
записана как сумма энергии электронного возбуждения Ее, ко-
лебательной энергии Ev и вращательной энергии Ег:
E^-Ee + Ev + Er, (8)
а уравнение (7) можно переписать так:
hv = \Ee + \Ev + ^En (9)
т. е. полное изменение энергии при поглощении кванта света
можно представить в виде суммы изменений количества элек-
тронных, колебательных и вращательных квантов. Колебатель-
ные кванты меньше электронных, а вращательные меньше коле-
бательных. Возможные энергетические состояния молекулы
Рис. 1. Переходы, при которых возникают спектры поглощения и спектры
испускания флуоресценции.
удобно представить в виде простой схемы уровней энергии
(рис. 1). Каждый электронный уровень расщепляется на серию
колебательных, а каждый колебательный — на серию тесно рас-
положенных вращательных уровней (на рис. 1 показаны только
вращательные уровни низшего колебательного уровня основного
электронного состояния). Пользуясь этой схемой, мы дадим в
следующем разделе простое качественное описание быстрой
ОСНОВНЫЕ ПРИНЦИПЫ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ
17
Флуоресценции — наиболее распространенного типа фотолюми-
несценции. Другие ее типы и их связь с быстрой флуоресценцией
будут рассмотрены позднее.
Б. ФЛУОРЕСЦЕНЦИЯ
1. Природа флуоресценции
При комнатной температуре большинство молекул находится
на самом нижнем колебательном уровне основного электронного
состояния (уровень 0 состояния So на рис. 1) и переходы с по-
глощением света происходят именно с этого уровня вверх (пере-
ходы а и b 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. Некото-
рые молекулы имеют сравнительно простой набор колебатель-
ных уровней, и в спектре поглощения он проявляется как после-
довательность хорошо разрешенных максимумов (кривые А на
рис. 2). Однако у многих сложных органических молекул этот
набор колебательных уровней настолько сложен, что все пере-
ходы а (рис. 1) на колебательные уровни первого электронно-
возбужденного состояния дают одну широкую полосу поглоще-
ния (например, Б на рис. 2); еще одна широкая полоса погло-
щения, расположенная при более коротких волнах и не показан-
ная на рис. 2, соответствует переходу b (рис. 1) на колебатель-
но-вращательные уровни второго электронно-возбужденного со-
стояния.
Молекула, попавшая на верхние колебательные уровни лю-
бого возбужденного состояния, быстро теряет избыток колеба-
тельной энергии 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 первого, имеет
место внутренняя конверсия — переход молекулы с нижнего ко-
лебательного уровня верхнего состояния на имеющий ту же пол-
ную энергию верхний колебательный уровень более низкого
электронного состояния (горизонтальные стрелки на рис. 1).
Как только произойдет внутренняя конверсия, молекула быстро
теряет избыток колебательной энергии при столкновениях с мо-
лекулами растворителя. Таким образом, если молекула попадает
в любое состояние, расположенное выше самого нижнего коле-
бательного уровня первого электронно-возбужденного состоя-
ния, то в результате упомянутых процессов она быстро перехо-
дит в это состояние. Некоторые фотохимические реакции мо-
гут протекать через более высокие эл,екд).ояш1;возбужденные
18
ГЛАВА I
Волновое число, мкм'1
Рис. 2. Спектры поглощения (А, Б) и флуоресценции (В, Г) антрацена и
бисульфата хинина в координатах энергия — длина волны (а) и кванты —
волновое число (б) [158].
А — антрацен в этаноле (17,2 мкг/мл); Б— бисульфат хинина в 0,1 н. серной кислоте
(25 мкг/мл); В — антрацен в этаноле (1,0 мкг/мл); Г—бисульфат хинина в 0,1 н. серной
кислоте (1,0 мкг/мл). Использованы кварцевые призменные спектрометры. Полуширина
полосы —0,028 мкм-1 (4,5 нм) при 2,5 мкм-1 (400 нм) для флуоресценции и около
0.0005 мкм"”1 для поглощения.
состояния, но, чтобы успешно конкурировать с внутренней конвер-
сией и колебательной релаксацией, они должны иметь высокую
скорость. То же самое можно повторить в отношении испускания
света — его скорость должна быть гораздо выше типичных для
этого процесса значений, и в растворах испускание из высших
электронно-возбужденных состояний наблюдается чрезвычайно
ОСНОВНЫЕ ПРИНЦИПЫ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ
19
едко. Однако внутренняя конверсия из нижнего колебательного
уровня первого электронно-возбужденного состояния в основ-
ное — сравнительно медленный процесс (время жизни Si по-
рядка Ю"9 с, а время жизни высокого возбужденного состояния
порядка Ю-12 с). Поэтому в первом возбужденном состоянии на-
блюдаются процессы испускания и фотохимического превраще-
ния, даже если их скорость не очень велика.
Молекула испускает флуоресценцию при переходе с уровня О
состояния Si на любой колебательно-вращательный уровень ос-
новного состояния (рис. 1, переход с). Если в этом переходе уча-
ствуют все молекулы, поглотившие свет, то квантовый выход
флуоресценции раствора равен единице. Часть возбужденных
молекул может вернуться в основное состояние другими 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 мо-
жет оказаться даже близкой к нулю.
При комнатной температуре поглощение происходит практи-
чески только с нулевого колебательного уровня основного со-
стояния, а испускание —с нулевого колебательного уровня пер-
вого возбужденного состояния. Поэтому только один переход —
так называемый 0-0-переход — имеет ,одну и. ту~ же энергию л в
поглощении и в испускании; Остальные переходы отвечают боль-
шим и меньшим энергиям соответственно (рис. 1, переходы а и
с). Это означает, что спектр флуоресценции лежит с длинновол-
новой стороны первой (т. е. длинноволновой) йолосы поглоще-
ния и перекрывается с ней при длине волны 0-0-перехода *. Фор-
ма полос поглощения и флуоресценции определяется распределе-
нием колебательных уровней состояний Si и S2 по энергиям. Это
распределение часто одинаково для обоих состояний, и поэтому
спектр испускания близок к зеркальному отражению спектра
поглощения. Рис. 1 иллюстрирует также утвер-
ждающий, что .длине^вожщ1_фдуоресценции всегда больше длины
волны возбуждающего света. Однако даже при комнатнойдтем-
пературе нижние колебательные уровни основного состояния
(например, уровень 1 состояния So) в некоторой степени засе-
лены, и, следовадельно, может иметь место переход 0<-1, про-
являющийся в виде очень слабой полосы поглощения. Практиче-
ски эта полоса слишком слаба и не наблюдается в спектре по-
глощения, однако можно так поставить опыт, что будет на-
блюдаться 0-0-переход в испускании, если возбуждать его при
Длине волны 0 1-перехода в поглощении. В данном слу-
чае длина волны флуоресценции будет меньше длины волны
* Для сложных молекул 0-0-полоса флуоресценции лежит при несколько
большей длине волны, чем 0-0-полоса поглощения (см. кривые А и В на
Рис. 2). О причинах этого несовпадения см. в разделе I, Б, 3.
20
ГЛАВА I
возбуждающего света. Пример такой антистоксовой флуорес\
ценции приведен в гл. V в связи с проблемой" определения сле-
дов некоторых веществ.
Если бы расположение уровней, показанное на упрощенной
схеме рис. 1, было единственным фактором, влияющим на по-
глощение и испускание света, то спектры поглощения и флуо-
ресценции представляли бы собой последовательности одинако-
вых по интенсивности полос, идущие соответственно к коротким
и длинным волнам. На самом деле (ср. спектры А и В на рис. 2)
интенсивности полос существенно неодинаковы, и эту особен-
ность легко объяснить, если принять во внимание принцип Фран-
ка — Кондона.
2. Принцип Франка — Кондона
Принцип Франка — Кондона основан на том, что поглощение
света прдйсходйт~зга' црёмя порядка что соответствует пе-
риоду колебаний световой волны. В течение этого времени за-
метно не изменяются ни положение, ни импульсы тяжелых ядер
атомов молекулы. Таким образом, конфигурация ядер и их отно-
сительное движение до акта поглощения света и сразу же после
него одинаковы. Чтобы понять, как это влияет на интенсивно-
сти различных колебательных полос, следует указать на схеме
уровней потенциальной энергии положение ядер. Вообще ‘го-
воря, зависимость потенциальной энергии многоатомной моле-
кулы от координат ядер может быть представлена только в мно-
гомерном пространстве, однако для наших целей достаточно рас-
смотреть двухатомную молекулу, зависимость потенциальной
энергии которой от межатомного расстояния показана на рис. 3.
Кривая MN соответствует потенциальной энергии системы в ос-
новном состоянии, а горизонтальные линии отвечают молеку-
лам в основном состоянии, имеющим различные количества
квантов колебательной энергии. Молекулы с числом квантов,
равным нулю, слегка колеблются около среднего межъядерного
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 энергии, сумма которых, т. е. полная
энергия, однако, постоянна и равна расстоянию по вертикали от
минимума до линии АВ. Энергия электронно-возбужденного со-
стояния представлена кривой ХУ, лежащей над кривой MN на
высоте, равной энергии электронного возбуждения. Орбиталь,
заполняемая электроном в возбужденном состоянии, обычно за-
нимает большую область пространства, чем для основного со-
стояния, поэтому положение равновесия в возбужденном со-
стоянии (середина отрезка отвечает большему межъядер-
ОСНОВНЫЕ ПРИНЦИПЫ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ
21
ному расстоянию, чем для основного состояния (середина от-
оезка CD). В момент поглощения света молекула может иметь
различные значения кинетической и потенциальной энергии, т. е.
может находиться в различных точках кривой СР. По принципу
франка —„Кщщоня будет- такой - переход,.
Рис. 3. Принцип Франка — Кондона.
при котю£ом^е_изжнж^
положение ядер, ни импульс. _
Этот переход можно предста-’
вить вертикальной линией (на-
пример, ЕР), проведенной
между двумя электронными
состояниями. Рассмотрение ос-
циллятора в рамках квантовой
механики дает более полное
описание процесса. Из реше-
ния волнового уравнения сле-
дует, что наиболее вероятное
межъядерное расстояние для
молекулы с нулевой колеба-
тельной энергией 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 го-
ризонтальными линиями. Та-
ким образом, при поглощении
возможно несколько переходов,
тот из них, который отвечает вертикальной линии, проведенной
из середины отрезка CD до пересечения с кривой XY (т. е. ЕР на
рис. 3). Будут наблюдаться и другие, как более длинноволновые,
так и более коротковолновые, переходы, имеющие меньшую ве-
роятность, в результате которых молекула попадает на колеба-
тельные уровни возбужденного состояния, соседние уровню PQ.
С уменьшением межъядерного расстояния потенциальная кривая
становится круче, поэтому интенсивность в спектре поглощения
спадает в-направлении коротких волн более полого, чем с длин-
новолновой стороны от максимума. При переходах на уровни,
расположенные выше пунктирной линии, молекула становится
настолько «сжатой», что полностью диссоциирует. Аналогично,
если молекула получает достаточную колебательную энергию в
основном состоянии (например, путем нагревания), она может
диссоциировать (вблизи точки N).
После возбуждения на верхний колебательный уровень (на-
пример, PQ) молекула быстро теряет избыток колебательной
но наиболее вероятным будет
22
ГЛАВА I
энергии и попадает на самый нижний уровень с которого
возможен переход с испусканием флуоресценции в основное со-
стояние. По принципу Франка — Кондона наиболее интенсивная
полоса испускания будет соответствовать вертикальной линии,
проведенной из середины отрезка в точку В, а другие, менее
интенсивные — переходам на колебательные уровни основного
состояния, соседние АВ. Форма спектра испускания будет зави-
сеть от относительного расположения минимумов верхней и ниж-
ней кривых. Для большинства веществ кривые не очень сильно
сдвинуты относительно друг друга по оси абсцисс и справа от
вертикали кривая основного состояния идет круче, чем слева.
Поэтому в направлении длинных волн интенсивность флуорес-
ценции будет спадать более полого, чем в направлении корот-
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. 0-0-Переходы при поглощении и при испускании
Итак, по закону Стокса спектр флуоресценции лежит с длин-
новолновой стороны от самой длинноволновой полосы поглоще-
ния, а относительная интенсивность его колебательных компо-
нент определяется принципом Франка — Кондона. В данном раз-
деле мы дадим объяснение уже упоминавшемуся несовпадению
0-0-переходов при поглощении и при испускании. Как в основ-
ном, так и в электронно-возбужденном состоянии молекула соль-
ватирована за счет диполь-дипольного взаимодействия с моле-
кулами растворителя. Степень сольватации определяется в ко-
нечном итоге распределением электронной плотности в молеку-
лах, от которого зависит величина дипольного момента — либо
постоянного (для полярных молекул), либо наведенного (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 поглощение 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 энергию, чем равновесное (переход ab на
рис. 4). Время жизни в возбужденном состоянии достаточно ве-
лико, и еще до испускания света происходит релаксация в рав-
новесное состояние с с меньшей энергией. Аналогично при испу-
ОСНОВНЫЕ ПРИНЦИПЫ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ
23
кании света молекула переходит в основное состояние, но по-
падает при этом в состояние сольватации, соответствующее рав-
новесной конфигурации электронно-возбужденного состояния
имеющей большую энергию, чем равновесная конфигурация
основного состояния
(я). Затем происходит
релаксация из d в а.
Очевидно, что погло-
щаемая порция энер-
гии больше, чем ис-
пускаемая, хотя и по-
глощение и испуска-
ние соответствуют
0-0-переходу. Разность
энергии расходуется
на нагревание раство-
рителя в двух упомя-
нутых процессах рела-
ксации.
При достаточно
низкой температуре и
высокой вязкости про-
цесс b -> с не успеет
пройти за время жиз-
ни возбужденного со-
стояния, испускание
произойдет из состоя-
ния b или же из како-
го-либо состояния,
промежуточного меж-
ду b и с, и разность
энергий 0-0-переходов
уменьшится. При вы-
сокой температуре раз-
ность энергий переходов также мала, поскольку не столь велико
различие конфигураций b и с. Таким образом, разность энергий
0-0-переходов должна проходить через максимум при умерен-
ных температурах, и это действительно имеет место [1].
Поскольку разность энергий 0-0-переходов определяется раз-
ной степенью сольватации в цдвух состояниях, она будет наи-
большей 4для 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 сдвигом 0-0-полосы, полярностью растворителя и измене-
нием дипольного момента при возбуждении. Измерив сдвиг
Неустойчивая
возбужденного
состояния
Устойчивая
конфигурация
возбужденного
состояния
hp
о о
У
hPr
Неу стой чивая
конфигурация
основного
состояния
Устойчивая
конфигурация
основного
состояния
Рис. 4? Изменение сольватации после возбу-
ждения или испускания.
Большими и малыми овалами схематически обозна-
чены молекулы растворенного вещества и сольвати-
рующего растворителя.
24
ГЛАВА I
О-О-полосы в разных растворителях, можно рассчитать диполь-
ный момент возбужденной молекулы [2, 3].
Следует отметить, что в возбужденном 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 0-0-переходов при погло-
щении и при испускании.
4. Законы поглощения и испускания света
Рассмотрим параллельный пучок света интенсивности /0, па-
дающий на образец с параллельными стенками (рис. 5). Часть
Рис. 5. К выводу закона Ламберта — Берз.
света (IR и IR) отражается на двух границах, часть (/s) рас-
сеивается в среде, часть (/А) поглощается и часть 7т выходит
из образца. Очевидно, можно записать следующее равенство:
Iq — Ir + /д + h + Ia + It* (10)
При перпендикулярном падении на границу воздух/стекло отра-
жается примерно 4% света; при измерении спектров поглоще-
ния потери на отражение обычно компенсируют/В прозрачных
растворах доля рассеянного света мала, и мы будем принимать
во внимание только поглощенный и пропущенный свет. Если па-
дающий свет монохроматичен, вещество состоит из одинаково
поглощающих молекул и возбуждается незначительная доля мо-
лекул образца, то доля поглощенного света не зависит от интен-
сивности падающего 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, поглощенного в этом слое, dIA равна
произведению интенсивности падающего света / на толщину
слоя и на полное эффективное сечение молекул в слое в расчете
на 1 см2 пучка:
dIA = -dI = Ikc' dl, (11)
где с' — число молекул в 1 см3, ай — эффективное сечение од-
ной молекулы в см2. Интегрирование в пределах от 0 до Z' при-
водит к хорошо известному закону Ламберта — Бера:
IT/h = e-^, (12)
в котором обычно опускают индекс Т и штрих у Z.
Естественно, что когда интенсивность падающего света столь
велика, что заметная часть молекул оказывается в возбужден-
ном состоянии (и, следовательно, имеет уже другое значение се-
чения й), уравнение (12) не выполняется. Однако при комнат-
ной температуре в жидкостях, насыщенных воздухом, времена
жизни синглетных и триплетных (см. ниже) состояний столь
малы, что электронно-возбужденные молекулы могут 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 проводятся в жестких средах при низкой тем-
пературе, где из-за большого времени жизни триплетных
молекул они могут 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 см3, а эффективное сечение молекулы й — в квадрат-
ных сантиметрах.
Уравнению (12) можно придать форму, более удобную в
практическом отношении:
lgUo//) = ecZ. (13)
В уравнении (13) используется десятичный логарифм, концен-
трация выражена в молях на литр, а в — молярный коэффи-
циент погашения (экстинкции). Величины й и е связаны про-
стым соотношением
й = 2300е/АГ, (14)
где AZ —число Авогадро (6,023-1023). Максимальные значения
Е молекул с молекулярным весом несколько сотен составляют
примерно 105, и из уравнения (14) следует, что сечения таких
26
ГЛАВА I
молекул составляют приблизительно 10“16 см2, т. е. молекулы
представляют собой как бы непрозрачные мишени размерами
1-2 А (10~8см).
Величина lg(/o/7) называется оптической плотностью или
поглощаемостью раствора (табл. 2); она пропорциональна кон-
центрации поглощающих частиц. Если в образце имеется не-
сколько сортов поглощающих частиц (например, два — А и В),
Таблица 2
Термины и обозначения, используемые в абсорбционной спектроскопии*
Рекомендуемые [4] Используемые
Падающая лучистая мощность Ро Интенсивность падающего света /о
Пропущенная лучистая мощ- ность Р Интенсивность пропущенного света I
Поглощательная способность а Коэффициент погашения (эк- стинкции) И
Внутренняя длина кюветы b Оптическая толщина слоя 1
Поглощаемость А Оптическая плотность D
Пропускаемость (P/Pq) Т Пропускание (Z/Zo) Т
Молярная поглощаемость е Молярный коэффициент по- гашения (экстинкции) в
Примечание. 8 относится к концентрации, выраженной в молях на литр,
к —в граммах на литр, I выражается в сантиметрах. Величины связаны между собой
следующим соотношением:
D=IgUo//)=ecZs=lg (1/Т)=кс/М,
где М — молекулярный вес.
* Полезно привести английские эквиваленты некоторых терминов: absorptivity (погло-
щательная способность), absorbance (поглощаемость), extinction (погашение или экстин-
кция), transmittance (пропускаемость). Термины из левой части табл. 2 в советской науч-
ной литературе не приняты. Да и в литературе на английском языке (в том числе в данной
книге), как правило, используются термины и символы, приведенные в правой части
табл. 2. — Прим. ред.
то оптическая плотность смеси (Ог) определяется оптическими
плотностями (Da и Db), соответствующими каждому сорту ча-
стиц в отдельности. Эту связь нетрудно получить из уравнения
(11), подставив в него полное эффективное сечение (в см2) мо-
лекул обоих сортов (kAc'A 4- kBc'B) dl вместо kc'dl-.
Ц10 = exp [- (kAc'A + kBc'B) (15)
DT — 1g Uo/0 — ъаса1 + ъвсв1 — Da + Db. (16)
Следовательно, оптическая плотность смеси равна сумме оптиче-
ских плотностей отдельных компонент.
Спектры поглощения представляют собой просто график за-
висимости величины 8 или ее логарифма от длины волны или ча-
ОСНОВНЫЕ ПРИНЦИПЫ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ
27
стоты поглощаемого 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. dQld\), 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.
dQldv), а по оси абсцисс — частоту. Иногда используют третий
метод — строят зависимость от длины волны энергии, испускае-
мой за секунду в единичном интервале длин волн (т. е. dE!dK)\
в фотохимии этим способом пользуются редко. Образец испу-
скает флуоресценцию во всех направлениях, но очень редко при-
ходится откладывать на графиках абсолютные интенсивности,
обычно вполне достаточно знать их относительные значения.
Примеры 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 энергию, 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 важного 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 всего в качестве единицы «частоты» используют
волновое число — число волн на 1 см. Тогда области 200—
800 нм соответствует диапазон 50 000—12 500 см"1, а если ис-
пользовать еще более удобную единицу — обратный микрометр,
то диапазон 5,0—1,25 мкм"1.
С теоретической точки зрения предпочтительнее строить
спектры в шкале частот или волновых чисел, а не длин волн, так
как процессы поглощения 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 другой 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 книге мы будем поль-
зоваться обоими способами построения спектров.
Поскольку испускание практически всегда происходит с ниж-
него колебательного уровня первого возбужденного состояния
(см. рис. 1), форма спектра флуоресценции не зависит от длины
волны возбуждающего света. Это правило играет важную роль
28
ГЛАВА I
в практической спектрофлуориметрии, так как если на опыте об-
наруживается, что вид спектра менятся с изменением длины
волны возбуждающего света, то это может означать, что в смеси
содержится несколько флуоресцирующих компонентов. Известен
ряд исключений из этого правила, которые будут обсуждены в
этой книге.
Связь интенсивности флуоресценции с коэффициентом пога-
шения легко установить, пользуясь законом Ламберта — Бера
[уравнение (12)]. По определению (уравнение [6]) скорость ис-
пускания флуоресценции Q равна скорости поглощения света (в
квантах в секунду), умноженной на квантовую эффективность
флуоресценции ф/, т. е.
(17)
или, если учесть уравнение (12),
’ Q = Z0(l-e-^)(pf. (18)
Разлагая экспоненту в ряд, получаем
Q = /0 [kc'l - (kc'l)2/2 + (kc'lWG — ... ] . (19)
Переходя к концентрациям с, выраженным в молях на литр,
и к молярному коэффициенту погашения [см. уравнение (14)],
имеем
Q = /0 (2,3scZ) [ 1 - 2,3er Z/2 + (2,38cZ)2/6 — ... ] <pf. (20)
Для слабо поглощающих растворов оптическая плотность ecl
мала и уравнение (20) упрощается:
Q = /0(2,38cZ)(pf. (21)
В табл. 3 приведены ошибки, которые получаются, если вме-
сто точного уравнения (20) использовать приближенное уравне-
ние (21). Эти ошибки можно рассматривать как влияние эф-
фекта внутреннего фильтра, который состоит в том, что интен-
сивность возбуждающего света у задней стенки кюветы меньше,
Таблица 3
Ошибки, обусловленные эффектом внутреннего фильтра
Оптическая плотность у(2,Зес0 1 (2,3ecZ)s О Ошибка в величине Qt %
0,001 0,0011 0,000001 +0,1
0,01 0,0115 0,0001 1,1
0,05 0,0575 0,0022 5,5
0,10' 0,115 0,0088 10,6
0,20 0,230 0,035 20
ОСНОВНЫЕ ПРИНЦИПЫ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ
29
чем у передней, из-за частичного поглощения света раствором.
Данные табл. 3 относятся к полной флуоресценции, испускаемой
во всех направлениях. Обычно измеряется флуоресценция, ис-
пускаемая внутри сравнительно небольшого телесного угла, и
действительная ошибка зависит от точной геометрии образца по
отношению к пучку возбуждающего света и направлению изме-
рения флуоресценции. Эффект внутреннего фильтра мы рассмо-
трим в гт. III.
Согласно уравнению (21), для разбавленного раствора дан-
ного вещества, помещенного в данную кювету, интенсивность
флуоресценции пропорциональна произведению концентрации,
вещества на интенсивность возбуждающего света. Современ-
ными фотоумножителями можно зарегистрировать чрезвычайно
низкие интенсивности света, и, следовательно, используя очень
высокие интенсивности возбуждающего света (/0), можно опре-'
делить крайне низкие концентрации. Уравнение (21) объясняет,
почему спектрофлуориметрия гораздо более чувствительный ме-
тод, чем абсорбционная спектрофотометрия. В абсорбционной
спектрофотометрии концентрация пропорциональна величине
1g(/0//) и фактором, определяющим минимально обнаружимую
концентрацию, является минимально измеримая разность между
/0 и /: для достижения высокой чувствительности нужно с высо-
кой точностью измерять интенсивность /. Оценим предельную
чувствительность. Точность измерения величины lg(Iq/I) на про-
дажных приборах с кюветой 1 см не превышает 0,001. Для мо-
лекул средних размеров значение 8Макс редко достигает 105. Под-
ставляя эти значения в уравнение (13), получаем
Смин>Ю"7105>10-8М. (22)
С другой стороны, чувствительность спектрофлуориметра лими-
тируется в принципе лишь максимальной интенсивностью воз-
буждающего света, но не точностью, с которой можно измерить
интенсивность света. В идеальных условиях предельная изме-
римая концентрация имеет порядок 10-12 М.
Уравнение (21) помогает также понять, как изменяется ин-
тенсивность флуоресценции при изменении длины волны возбу-
ждающего света. Для однокомпонентного раствора постоянной
концентрации интенсивность флуоресценции пропорциональна
величине /оеф/. Следовательно, если с изменением длины волны
возбуждающего света его интенсивность остается постоянной,
интенсивность флуоресценции будет пропорциональна произве-
дению вф/. График зависимости этого произведения от длины
волны или частоты возбуждающего света называется истинным
спектром возбуждения флуоресценции. Далее, для большинства
сложных молекул в растворах эффективность флуоресценции
30
ГЛАВА I
(<ру) практически не зависит от частоты возбуждающего света.
Таким образом, истинный спектр возбуждения флуоресценции
разбавленного раствора, содержащего одну поглощающую ком-
поненту, будет пропорционален коэффициенту погашения 8, т. е.
будет просто спектром поглощения этой компоненты (см., на-
пример, рис. 6). Следовательно, спектрофлуориметрию можно
МКМ"1 МКН'1
Рис. 6. Спектр возбуждения флуоресценции (слева) и спектр поглощения
(справа) 1,2-бензантрацена в этаноле [143].
Флуоресценцию регистрировали при 2,25 — 2,45 мкм”"1.
использовать для измерения спектров поглощения флуоресци-
рующих веществ при концентрациях гораздо ниже тех, которые
требуются для измерения спектров поглощения непосредственно
на абсорбционном спектрофотометре. Как будет видно из даль-
нейшего, преимущество метода спектрофлуориметрии состоит в
том, что, возбуждая смесь поглощающих веществ и регистрируя
флуоресценцию одного из них, можно получить спектр погло-
щения именно этого вещества.
5. Вероятность перехода и время жизни
В разделе I, Б, 2 было показано, как относительные вероят-
ности переходов на различные колебательные уровни верхнего
электронно-возбужденного состояния влияют на относительные
интенсивности поглощения, соответствующего этим переходам.
Что касается абсолютных вероятностей самих электронных пе-
ОСНОВНЫЕ 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 поглощения. Если оптические
переходы вероятны в поглощении, то они вероятны и в испуска-
нии, и между вероятностью испускания флуоресценции и моляр-
ным коэффициентом погашения существует прямая связь. Пре-
жде чем обсуждать ее, мы рассмотрим кинетику процесса испу-
скания флуоресценции.
Предположим, что мы возбудили некоторое число (п0) моле-
кул, переведя их в определенное электронное состояние в таких
условиях, что испускание света является единственным путем
возвращения в основное состояние. Вероятность того, что одна
из этих молекул испустит свет и возвратится в более низкое со-
стояние, не зависит от присутствия других 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 /:
dnldt — — kf п. (23)
Интегрируя, получаем
п — nQe^kff. (24)
Для скорости испускания света Q имеем
Q = -dn/dt = kfnoe~kft = Qae-kft. (25)
Интенсивность флуоресценции уменьшается, таким образом,
по экспоненциальному закону. Среднее излучательное время
жизни флуоресценции тг определяется выражением
Tr=l/fef, (26)
и это есть время, за которое интенсивность уменьшается в е раз.
Параметр kf — константа скорости первого порядка процесса ис-
пускания флуоресценции.
Связь излучательного времени жизни тг с коэффициентом
погашения может быть выражена различными уравнениями, наи-
более удобным из которых является формула Боуэна и Уокса [5]
1/тг = 2900n2v2 J е dv, (27)
где J edv— площадь под кривой зависимости молярного коэф-
фициента погашения от волнового числа (рис. 7), vo — волновое
число максимума полосы поглощения, ап — показатель прелом-
ления растворителя; при этом волновые числа выражены в об-
ратных микрометрах, а время жизни — в секундах. Для многих
to
ГЛАЙА i
целей по формуле (27) получается достаточно точное значение
хт. Несколько сложнее уравнение, предложенное Фёрстером [6]:
1/тг = 2900/г2 j (2У~*)3 в dv,
(28)
где v' — волновое число, соответствующее линии зеркальной
симметрии между полосами поглощения и флуоресценции
(рис. 7). В формуле Фёрстера учитывается асимметрия полосы
поглощения, но предполагается существование зеркальной сим-
метрии спектров флуоресценции и поглощения. Позднее Бирке
Рис. 7. Метод вычисления излучательного времени жизни.
и Дайсон [7] вывели более точное уравнение, не ограниченное
случаем существования зеркальной симметрии и принимающее
во внимание дисперсию растворителя, но требующее интегриро-
вания как по спектру поглощения, так и по спектру флуоресцен-
ции:
о „з [ Fdv »
1/гг = 2880-|1-.^. J----------------------(29)
8и па J Fv~sdv J V
где gi и gu — мультиплетности (см. раздел I, В, 1) основного и
возбужденного состояний (для синглет-синглетного перехода, от-
вечающего флуоресценции, g\lgu — па — средние показа-
тели преломления растворителя в областях флуоресценции и по-
глощения, F — интенсивность флуоресценции при волновом чис-
ле v (выраженном в обратных микрометрах). Расчеты по урав-
нению (29) дают хорошее согласие с экспериментальными зна-
чениями времени жизни тех молекул, конфигурации ядер кото-
рых в основном и возбужденном состояниях мало различаются.
ОСНОВНЫЕ ПРИНЦИПЫ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ
33
Из простого уравнения (27) можно получить даже еще более
простую формулу, пригодную для быстрых оценок. Для многих
полос поглощения в видимой и близкой ультрафиолетовой обла-
стях эффективная полуширина (Av) составляет при комнатной
температуре 0,2—0,5 мкм"1. Поэтому J edv можно считать рав-
ным примерно 0,Зеваке, где емаКс — максимальный коэффициент
погашения полосы поглощения. Середина наиболее интересного
спектрального диапазона соответствует примерно 2,5 мкм"1, а п2
можно принять равным 2; тогда из уравнения (27) получаем
1/тг - ЮЧакс. (30)
Следовательно, излучательное время жизни сильно поглощаю-
щих веществ (например, красителей) с 8макс около 105 будет
иметь порядок 10"9 с.
Нужно подчеркнуть, что полученные вышеуказанными спосо-
бами времена жизни представляют собой излучательные вре-
мена жизни, т. е. те времена жизни, которые получались бы в
отсутствие всех других путей возвращения молекулы в основное
состояние. Поскольку другие, конкурирующие с испусканием,
безызлучательные процессы также имеют место, измеряемые
времена жизни почти всегда 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 вре-
мя жизни самого низкого синглет-возбужденного состояния яв-
ляется одним из главных факторов, определяющих интенсив-
ность флуоресценции растворов при комнатной температуре (ко-
личественное рассмотрение этих вопросов см. в гл. II).
Применяя уравнения (27) — (29), следует помнить, что инте-
грировать нужно только в пределах первой полосы поглощения,
и на рис. 7 эта полоса ради удобства показана в изолирован-
ном виде. Однако на самом деле коротковолновый край первой
полосы поглощения 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 поглощения достаточно сильна. Но если она относи-
тельно слаба и перекрыта сильной второй полосой, то чрезвы-
чайно трудно, а иногда и невозможно точно определить вклад
первой полосы поглощения. В тех случаях, когда перекрывание
не слишком велико и можно идентифицировать 0-0-переходы в
спектрах поглощения и флуоресценции, можно воспользоваться
способом, показанным на рис. 8. Предполагается, что в области
0-0-перехода первой полосы поглощения коэффициент погашения
второй полосы равен нулю. Масштаб спектра флуоресценции
54
ГЛАВА I
выбирается так, чтобы его 0-0-полоса и 0-0-полоса первой полосы
поглощения имели одинаковую высоту. Затем получают зеркаль-
ное отражение спектра флуоресценции и принимают его за
спектр, обусловленный одним только первым электронным пере-
ходом. К сожалению, этот способ далеко не универсален, так
как для многих веществ закон зеркальности не выполняется и
поэтому трудно определить положение 0-0-переходов.
Рис. 8. Оценка вклада первой полосы поглощения.
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 I, В, 1) и симметрия волновых
функций. Для полностью разрешенных переходов f = 1, но дру-
гие важные переходы имеют гораздо меньшие значения силы
осциллятора. Сила осциллятора связана с излучательным вре-
менем жизни следующим уравнением [8]:
1,5* 10~8
Tr — fv2 ’
Используя уравнение (27) при п=1, получаем
f = 4,3 • 10-5 J edv.
Так, если принять, что для типичной полосы поглощения j edv
можно заменить на 0,ЗемаКс, то сила осциллятора, равная еди-
нице, соответствует емакс « 105.
(31)
(32)
ОСНОВНЫЕ ПРИНЦИПЫ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ
35
Излучательное время жизни, вычисляемое по формулам
(27)—(29), относится к спонтанному испусканию света и является
обратной величиной вероятности Апт (=1/тг) того, что молекула
совершит излучательный переход из верхнего состояния п в ниж-
нее состояние т в отсутствие излучения частоты v, соответствую-
щей разности энергий состояний п и т. В общем случае полная
вероятность перехода равна сумме вероятности Апт и величины
uvBnm, где uv — плотность излучения частоты v, а величина Впт
постоянна для рассматриваемой системы. Свет, испускаемый во
втором процессе, называют вынужденным (стимулированным)
излучением, и его фаза совпадает с фазой внешнего вынуждаю-
щего света. Вероятность вынужденного испускания uvBnm сов-
падает с вероятностью uvBmn обратного процесса, т. е. поглоще-
ния (согласно формуле Эйнштейна, Втп = Впт = c3Anm/8nhv3).
Следовательно, если в любой системе заселенность основного со-
стояния больше заселенности возбужденного, то суммарным ре-
зультатом облучения светом частоты v будет поглощение 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-
нована работа лазера, подробное рассмотрение которого, однако,
выходит за рамки данной книги. Вынужденное испускание легче
всего получить в системах с узкой полосой люминесценции, и
для его возбуждения требуются очень высокие интенсивности
возбуждающего 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 электронных переходов
Распределение электронной плотности и энергия молекулы
в основном и возбужденных состояниях в принципе могут быть
получены путем решения уравнения Шредингера. Эти характе-
ристики зависят от электростатического притяжения между элек-
тронами и ядрами, электростатического отталкивания между
электронами, межъядерных колебаний, вращения молекулы, а
также магнитного взаимодействия, в котором участвуют спино-
вый и орбитальный моменты электронов, а также спиновые мо-
менты ядер. Точное решение уравнения возможно только для са-
мых простых молекул, однако, отделяя орбитальное движение
электрона от спинового и от движения ядер, можно полу-
чить приближенные решения. Предполагается, что электроны
36
ГЛАВА I
занимают молекулярные орбитали, каждая из которых может
принять два электрона, а переход между двумя состояниями мо-
лекулы рассматривается как перемещение электрона с одной ор-
битали на другую.
Ограничимся несколькими наиболее общими типами орбита-
лей органических молекул и рассмотрим распределение элек-
тронной плотности в основном состоянии и то, как оно изме-
няется при поглощении света. Схематично это показано на
рис. 9 и 10, которые носят качественный характер и не претен-
дуют на точное соответствие масштаба. На рисунках огибающие
ограничивают области пространства, где 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, всегда положительна.
Орбиталь_пары электронов, образующих простую связи, сим-
метрична относительно оси связи,плотность заряда электро-
нов максимальна в области между связываемыми атомами
(рис. 9). Такую орбиталь называют связывающей и обозначают
символом о. В результате поглощения света один из пары элек-
тронов поднимается на о*-орбиталь, которая имеет узел (т. еа
ОСНОВНЫЕ ПРИНЦИПЫ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ
37
Пиридин
(нет взаимо-
действия)
Пиррол
(есть взаимо-
действие)
Вид
сбоку
сверху
Н
Анилин
(взаимодейст-
вие в случае
плоской конфи'
zypaUfUu)
Рис. 10. Взаимодействие неподеленной
пары электронов с л-орбиталью.
tN^HH

нулевую плотность заряда) в плоскости, перпендикулярной свя-
зи. Две части волновой функции этой орбитали имеют противо-
положные знаки, и это приводит к появлению отталкивания ме-
жду атомами. Поэтому такую о*-орбиталь называют антисвязы-
вающей. При обозначении оптических переходов первым мы
всегда будем указывать возбужденное состояние, а направление
перехода обозначать стрелкой. Вышеупомянутый поглощатель-
ный переход, следовательно, можно обозначить о*«-о, а обрат-
ный переход (испускание света) —о*->о. В дальнейшем мы не
будем рассматривать о*—о-
переходы, поскольку они
требуют значительных энер-
гий и, например, первый из
них (отвечающий наимень-
шей энергии) в насыщенных
соединениях происходит при
длинах волн короче 200 нм.
Заметим, кстати, что в на-
сыщенных соединениях, со-
держащих атомы с неподе-
ленной парой электронов,
возбужденное состояние о*
можно получить путем воз-
буждения одного из элек-
тронов этой пары (т. е. не-
связывающего, или n-электрона). Вероятно, наиболее длинно-
волновые переходы в алифатических спиртах, простых эфирах,
аминах, алкилгалогенидах и т. п. соединениях представляют со-
бой именно такие о* п-переходы [9]. Полоса поглощения раз-
мыта и расположена примерно около 200 нм в эфирах и спиртах
и в более длинноволновой области в галогенсодержащих соеди-
нениях. Флуоресценция из состояния о* не наблюдается.
Флуоресценция почти всегдя обусл-овлена 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 энергией соответствует про-
мотированию одного из электронов, занимающих л-орбиталь ос-
новного состояния, на более высокую л*-орбиталь. Например, в
этилене и его производных одна из пар электронов, образую-
щих двойную связь, занимает о-орбиталь, которая имеет такую
же форму, что и для простой связи (на рис. 9 не показано).
Другая пара электронов занимает л-орбиталь, которая отве-
чает более высокой энергии и имеет узел в плоскости групп R.
Эта орбиталь антисимметрична относительно нодальной (узло-
вой) плоскости, т. е. две части волновой функции орбитали
имеют противоположные знаки (показано штриховкой на рис. 9),
38
ГЛАВА I
и заряд концентрируется в пространстве между атомами угле-
рода так, что орбиталь является связывающей. Верхняя л*-орби-
таль имеет еще одну нодальную плоскость, перпендикулярную
направлению связи, поэтому является орбиталью антисвязываю-
щего характера, хотя этот характер в данном случае выражен
довольно слабо. В случае сопряженных двойных связей низ-
шая л-орбиталь основного состояния имеет ту же форму, что и
для этилена, но плотность заряда распределяется по всей си-
стеме сопряженных атомов углерода, разность энергий л- и л*-
орбиталей меньше и первая полоса поглощения лежит при
больших длинах волн. Если л* — л-переходы не запрещены по
симметрии, они весьма интенсивны (еМакс обычно от 104 до 105),
и в отсутствие синглет-синглетных переходов с более низкой
энергией часто именно они обусловливают флуоресценцию.
В ненасыщенных системах, содержащих атомы с неподелен-
ной парой электронов, часто наблюдаются переходы, энергия
которых меньше, чем л* — л-переходов. Например, в карбониль-
ной группе имеется пара электронов на о-орбитали, пара элек-
тронов на л-орбитали и две неподеленные пары электронов ато-
ма кислорода, причем одна из этих двух пар занимает несвязы-
вающую n-орбиталь, форма которой такая же, как у атомной
р-орбитали. {На рис. 9 о- и л-орбитали группы С=О не пока-
заны.) Как и в случае производных этилена, узел п-орбитали
находится в плоскости групп R, и, следовательно, п-орбиталь
симметрична относительно этой плоскости и мало перекрывается
с л-орбиталью. п-Орбиталь расположена по энергии выше дру-
гих орбиталей основного состояния, и переход электрона на бо-
лее высокую л*-орбиталь (т. е. л*-<- n-переход) обычно является
наиболее длинноволновым синглет-синглетным переходом. Ве-
роятность таких переходов мала (еМакс < 2000), и излучатель-
ное время жизни возбужденных л* — n-состояний сравнительно
велико. Поэтому они сильнее, чем л* — л-состояния, подвержены
процессам безызлучательной дезактивации, и 'флуоресценция из
этих состояний очень малоинтенсивна. Классификацию перехо-
дов по л* — л- и л* — n-типам впервые ввел Каша [10].
При рассмотрении более сложных сопряженных систем, на-
пример содержащих ароматическое кольцо и атом азота, необ-
ходима более детальная классификация орбиталей «неподелен-
ной пары» [11]. Рассмотрим орбитали неподеленной пары азота
в трех соединениях — пиридине, пирроле и анилине (см. рис. 10).
С атомом азота в пиридине связаны три тригональные $р2-гибри-
дизованные орбитали и четвертая орбиталь p-типа. Две триго-
нальные орбитали образуют простые связи кольца, а р-орбиталь
составляет часть л-системы кольца. Неподеленной паре элек-
тронов соответствует третья гибридная орбиталь, и главная
часть ее заряда направлена от кольца. Она симметрична относи-
ОСНОВНЫЕ ПРИНЦИПЫ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ
39
тельно плоскости кольца (см. рис. 10, вид сбоку) и потому не
может сопрягаться с антисимметричной системой л-электронов.
В этом отношении орбиталь неподеленной пары электронов ато-
ма азота аналогична орбитали неподеленной пары электронов
карбонильной группы (см. выше) и может быть названа несвя-
зывающей или п-орбиталью.
В пирроле атом азота связан простыми связями с кольцом и
с атомом водорода. Поэтому электроны неподеленной пары за-
нимают оставшуюся р-орбиталь, которая антисимметрична отно-
сительно плоскости кольца и сопряжена с его л-электронной си-
стемой. Следовательно, в данном случае возможны только
л* — л-переходы. Копланарная форма молекулы анилина по-
добна молекуле пиррола. Но если аминогруппа повернута на 90°
к плоскости кольца, сопряжение уже невозможно, и хотя при вы-
соких энергиях может происходить о* — n-переход, л* — п-пере-
ход не должен иметь места. При промежуточных углах поворота
аминогруппы возможен переход с орбитали неподеленной пары
на л-электронную систему кольца, в результате чего получается
состояние со значительным переносом заряда. Каша [11] назы-
вает такие внутримолекулярные переходы с переносом заряда
ая — /-переходами. По своим свойствам они отличаются от на-
стоящих л* — n-переходов; в частности, по излучательным вре-
менам жизни они ближе к л* — л-переходам.
Итак, можно ожидать, что для соединений, подобных пири-
дину, наиболее длинноволновый переход — это малоинтенсивный
л* — n-переход и, следовательно, такие соединения не флуорес-
цируют. У пиррола этот переход л* — л-типа, и пиррол должен
флуоресцировать. Анилин и его аналоги с неподеленными пара-
ми электронов на /-орбиталях будут иметь сравнительно интен-
сивный длинноволновый переход и, следовательно, в общем слу-
чае должны флуоресцировать.
Если с электронной системой связаны как электронодонорные
(О-, NH2, ОН и т. п.), так и электроноакцепторные группы (на-
пример, СО, NO2), то возбуждение уже нельзя рассматривать
как просто переход одного электрона с одной орбитали на дру-
гую. В этом случае приходится принимать во внимание несколь-
ко типов одноэлектронных переходов и каждый из них вносит
свой вклад в суммарный эффект. Возбужденные состояния с наи-
меньшей энергией, возникающие при таком переходе, Портер и
Саппан [12] назвали состояниями переноса заряда, или СГ-со-
стояниями (Charge transfer). Интенсивность этих переходов вы-
сока, и если СГ-состояние наинизшее по энергии, то для него
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
ГЛАВА 1
интенсивной флуоресценцией (см. рис. 158, гл. V), хотя при
комнатной температуре в спирте эффективность флуоресценции
составляет всего лишь 10"3 [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 углеводород), так и электроноакцепторные (Л)
соединения с сильными электронооттягивающими группами (та-
кими, как CN, СО или NO2). Полоса поглощения 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 конфигурация D+A~.
КПЗ часто флуоресцируют в твердом состоянии [15], а иногда
обладают слабой флуоресценцией и в растворах [16]. Установле-
но [442], что фосфоресценция различных КПЗ при 77 К обусло-
влена переходом из триплетного СТ-состояния.
Таким образом, одним из основных факторов, позволяющих
судить о способности молекулы флуоресцировать, является тип
возбужденного синглетного состояния с наименьшей энергией.
Набор экспериментальных способов идентификации л* — «-пере-
ходов был предложен Кашей [10], а впоследствии дополнен Сид-
маном [17]. Портер [9] предложил аналогичные критерии для
переходов в СТ-состояния. Ниже описаны три наиболее важных
способа идентификации.
Влияние растворителя. Сравнение спектров погло-
щения показывает, что в полярных растворителях л*— л-пере-
хрды расположены прги несколькЪ^мен^ших волновых числах,
^еКГв~~неполярных. Так, при' пе’рёходеот^глёво дородного ^рас-
творителя!^ этанолу «красный» сдвиг составляет около 0,05 мкм"1.
Гораздо больший красный сдвиг наблюдается для СТ-переходов
(около 0,2 мкм"1). В противоположность этому для тл*_— п-пере-
ходов характерен «синий» спектральный сдвиг примерно на
0,08 мкм^ГЧтобы понять^Тй явления^ нужно вспомнить, что вол-
новое чйсло поглощательного перехода соответствует разности
энергии равновесной конфигурации основного состояния и энер-
гии состояния, получающегося сразу после поглощения кванта,
т. е. «франк-кондоновского» состояния (состояние Ь на рис. 4).
Тогда влияние растворителя на положение полос поглощения
можно свести к суммарному его влиянию на энергии состояний
а и b (см. рис. 4). В общем случае электронная оболочка воз-
бужденного л* — л-состояния больше и, следовательно, его поля-
ризуемость выше, чем у основного состояния. При переходе к по-
лярному растворителю увеличивается взаимодействие раствори-
теля с обоими состояниями, но энергия возбужденного состояния
унижается несколько больше, чем энергия основного состояния,
ОСНОВНЫЕ ПРИНЦИПЫ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ
41
и поэтому полоса поглощения слегка смещается в красную сто-
рону. На рис. 11 это явление показано для бензофенона и его
4,4/-тетраметилдиаминопроизводного, вторая полоса поглощения
которых (около 4,0 мкм-1) соответствует л* — л-переходу. Сла-
бый красный сдвиг наблюдается при переходе от циклогексана
к этанолу. Влияние раство-
рителя на СТ-переход мож-
но проследить на примере
первой полосы поглощения
кетона Михлера, которая
отвечает этому переходу. В
СТ-состоянии постоянный
дипольный момент, гораздо
больше, чем в основном со-
стоянии, и соответственно
его энергия в полярном рас-
творителе снижается силь-
нее, чем энергия основного
состояния, а полоса погло-
щения испытывает красный
сдвиг (ср. кривые 2Ц и 2Э
на рис. И). Но в незаме-
щенном бензофеноне первая
полоса поглощения ведет
себя иначе. Эта полоса ма-
лоинтенсивна и соответству-
ет л* — n-переходу. JB по-
лярном растворителе п-элек-
ТротГ^частвуётТобразова- Рис. 11. Сдвиг под влиянием раство-
НИИ водйроднои связи,а его Бензофенов (/) и кретон Михлера (2) в цикл0.
перемещение В л-электрон- . гексане (Ц) и в этаноле (Э).
ную систему ослабляет во-
дородную связь. Поэтому при замене неполярного растворителя
полярным энергия основного состояния снижается сильнее, чем
возбужденного, и .полоса поглощения сдвигается в сторону более
высоких волновых чисел (ср. кривые Щ и 13 на рис. 11).
Вероятность перехода. Вероятность л* — л- и СТ-пе-
реходов велика, и 8Макс имеет порядок 104. л* — «-Переходы го-
раздо слабее (емакс < 2000), и связано это отчасти со слабым
пространственным перекрыванием п- и л*-орбиталей.
Энергия перехода. Энергия л* — «-перехода меньше,
чем энергия л* — л-перехода в углеводороде — аналоге рассма-
триваемого соединения с гетероатомом (например, аналогами
формальдегида и пиридина являются этилен и бензол соответ-
ственно). В соединениях с донорными и акцепторными заместите-
лями, присоединенными к л-электронной системе, СТ-поглощение
42
ГЛАВА I
происходит при больших длинах волн, чем в родственных соеди-
нениях без донорных или акцепторных заместителей.
До сих пор мы не рассматривали мультиплетность различ-
ных электронных состояний, т. е. не принимали во внимание ре-
зультирующий спин электронов молекулы. Эти вопросы будут
обсуждены в следующем разделе.
В. ФОСФОРЕСЦЕНЦИЯ И ЗАМЕДЛЕННАЯ ФЛУОРЕСЦЕНЦИЯ
1. Триплетное состояние
Основное состояние почти всех молекул с четным числом
электронов (т. е. именно молекул, а не радикалов) таково, что
молекулярные орбитали заполнены парами электронов. Согласно
принципу Паули (или принципу исключения), электроны, зани-
мающие одну и ту же орбиталь, имеют противоположно напра-
вленные спины, и, следовательно, результирующее спиновое
квантовое число молекул в основном состоянии равно нулю.
Однако когда один из электронов промотируется на верхнюю
орбиталь, его спин может оказаться ориентированным либо в
том же, либо в противоположном направлении, что и у оставше-
гося на нижней орбитали электрона. В первом случае («парал-
лельная» ориентация) результирующее спиновое квантовое число
равно -2~г~2 = 1 и» если система находится в магнитном поле
(внешнем или же внутреннем, создаваемом орбитальным движе-
нием электронов молекулы), проекция спина может принимать
три значения: +1,0 или —1. Эти три значения спинового кван-
тового числа соответствуют разным энергиям, и поэтому говорят,
что молекула находится в триплетном (тройном) состоянии. Сте-
пень расщепления трех компонент триплета в отсутствие внеш-
него магнитного поля зависит от взаимодействия спинового и
орбитального движения, которое в свою очередь зависит от масс
атомов, составляющих молекулу. В случае легких атомов ука-
занное взаимодействие мало, и в отсутствие внешнего поля три-
плет ведет себя так, как если бы он был одиночным уровнем.
Мультиплетность состояния равна п + 1, где п — число неспа-
сенных электронов. Следовательно, мультиплетность основного
состояния большинства молекул с четным числом электронов
равна 1, т. е. это синглетные (одиночные) состояния. Однако
\у многих молекул с четным числом электронов состояния с наи-
низшей энергией имеют два неспаренных электрона, занимаю-
щих разные орбитали; примером является молекулярный кисло-
род, основное состояние которого триплетное.
Тот факт, что электрон, возбужденный на верхнюю орбиталь,
может иметь два различных направления спина, означает, что
в результате каждого из обсуждавшихся выше переходов полу-
ОСНОВНЫЕ ПРИНЦИПЫ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ
43
чаются в принципе два разных возбужденных состояния — син-
глетное и триплетное. Поэтому следует перестроить прежнюю
схему уровней энергии (см. рис. 1), добавив к каждому пока-
занному на ней синглетному уровню по одному триплетному
уровню (рис. 12), за исключением синглетного основного состоя-
ния, которому соответствует пара электронов, занимающих одну
и ту же орбиталь и имеющих
На рис. 12 около каждого
уровня в клетках (соответ-
ствующих разным орбита-
лям) показано, как спин
возбужденного электрона на-
правлен по отношению к спи-
ну оставшегося электрона.
Правило Гунда для атомов
распространяется и на мо-
лекулы, поэтому триплет-
ные уровни лежат немного
ниже, чем соответствующие
им синглетные уровни. Три-
плеты атомов состоят из
трех тесно расположенных
уровней энергии. Однако в
молекулах эти три состоя-
ния, вообще говоря, нераз-
личимы, и на рис. 12 три-
плетные состояния и связан-
ные с ними колебательные
уровни изображены точно
так же, как и синглетные.
Для простоты показан толь-
ко один поглощательный переход на каждый из верхних сингле-
тов, а внутренней конверсии и потере колебательной энергии со-
ответствуют одиночные волнистые линии.
Излучательные переходы между состояниями разной мульти-
плетности, например между синглетами и триплетами, теоретиче-
ски запрещены. В действительности вследствие спин-орбиталь-
ного взаимодействия такие переходы имеют место, хотя они и
гораздо менее вероятны, чем синглет-синглетные или триплет-
триплетные переходы. Низкая вероятность перехода означает,
что полоса поглощения слаба, а излучательное время жизни об-
ратного перехода велико. Для разных переходов времена жизни
имеют разный порядок. Так, хорошо разрешенный излучатель-
ный переход л* — л-типа из самого нижнего возбужденного син-
глетного состояния имеет излучательное время жизни порядка
Ю-9— Ю“8 с, и даже для менее вероятных синглет-синглетных
поэтому противоположные спины.
Триплетная
система
д
Tt
t
I
S’
о
Ti
□ S
t
Интерком-
бинационная
-<---------
конверсия
Ннтерком-
— бинационная
конверсия
\ <9
— S:
Синглетная
система
Интерком-
бинационная
конверсия
W
Sp______
- s
I

•5?

f
i
I
§
so
и
Р и с.
и синглетных состояний и интеркомби1
национная конверсия.
12. Уровни энергии триплетных
44
ГЛАВА 1
переходов, например л* — n-переходов, оно редко превосходит
10~6 с; для перехода же с самого нижнего триплетного уровня
на основной оно редко оказывается меньше 10-4 с, а для многих
молекул может быть значительно больше 1 с. Долгоживущую
люминесценцию, испускаемую при излучательном переходе из
триплетного состояния в основное, мы будем называть фосфорес-
ценцией в отличие от флуоресценции — перехода из самого ниж-
него возбужденного синглетного состояния в основное. Обладая
исключительно большим излучательным временем жизни, три-
плетные молекулы могут легко терять свою энергию 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 с неспаренными
электронами, например молекулами кислорода, и такие вещества
могут оказывать заметное действие даже при чрезвычайно низ-
ких концентрациях. По этой причине фосфоресценция в жидких
растворах при комнатной температуре до последнего времени
наблюдалась лишь в очень редких случаях. Скорость безызлу-
чательных процессов можно сильно понизить, если распределить
вещество в жесткой среде и (или) понизить температуру рас-
твора. В этих условиях многие вещества обладают интенсивной
фосфоресценцией.
г Полоса триплет-синглетного поглощения очень слаба. Поэто-
му экспериментально трудно заселить триплетный уровень путем
поглощения света в полосе триплет-синглетного перехода. Одна-
ко для многих веществ имеется гораздо более эффективный ме-
тод заселения триплетного уровня путем интеркомбинационной
конверсии через синглет. 2
2. Интеркомбинационная конверсия
В отсутствие конкурирующих фотохимических реакций един-
ственным результатом поглощательного перехода молекулы в
любое из верхних возбужденных синглетных состояний является
(см. рис. 1) накопление молекул вблизи нижнего колебательного
уровня первого электронно-возбужденного синглетного состоя-
ния. Если это л*-состояние, то константа скорости kf испускания
флуоресценции составляет 108 — 109 с”1. Такой же порядок
имеют константы скорости некоторых процессов, конкурирую-
щих'с испусканием флуоресценции. Один из этих процессов —^
интеркомбинационная конверсия (см. рис. 12). Нижний колебав
тельный уровень нижнего триплетного состояния расположен не-
сколько ниже нижнего уровня первого электронно-возбужден-
ного синглетного состояния, некоторые же из более высоких — на
одном уровне с ним. Переход на один из этих высоких колеба-
Основные принципы и определения
45
тельных уровней низшего триплета (процесс а на рис. 12) и
представляет собой интеркомбинационную конверсию. Затем мо-
лекула быстро теряет избыток колебательной энергии и оказы-
вается вблизи самого нижнего колебательного уровня триплет-]
ного состояни5ьГЭтот процесс можно иллюстрировать схемой,
подобной рис. 3 и показанной на рис. 13, где опущены колеба-
тельные уровни, но добавлена потенциальная кривая самого
нижнего триплетного состояния
(TV). Ее минимум расположен
несколько ниже минимума кри-
вой синглетного возбужденного
состояния. Кривые потенциаль-
ной энергии триплетного и возбу-
жденного синглетного состояний
пересекаются в некоторой точ-
ке О. Заметим, что рис. 13, как и
рис. 3, относится, строго говоря,
к случаю двухатомной молеку-
лы, а многоатомной молекуле
должна соответствовать много-
мерная поверхность. Это разли-
чие, однако, не носит принци-
пиального характера, за исключе-
нием того, что потенциальные по-
верхности будут пересекаться не
в одной, а во многих точках.
Межатомное расстояние
Рис. 13. Интеркомбинационная
конверсия.
Итак, пользуясь схемой рис. 13,
заселение триплетного состояния можно представить в виде опре-\
деленной последовательности процессов. Поглощение света пере-
водит молекулу из основного состояния на один из верхних коле-
бательных уровней возбужденного синглетного состояния (вер-
тикальная линия ЕР). За время пребывания в этом состоянии
молекула быстро теряет избыток колебательной энергии, и изо-
бражающая точка, двигаясь вдоль кривой XY, достигает точки О.
В этой точке положение и импульсы атомных ядер одни и те же
как для возбужденного синглетного, так и для нижнего триплет-
ного состояния, и в этой точке молекула может перейти на coot- I
ветствующий колебательный уровень триплетного состояния.
По-видимому, для многих сложных молекул всегда существует
по крайней мере одна точка перехода вблизи самого нижнего
колебательного уровня возбужденного синглета, поскольку уста-
новлено, что вероятность заселения триплетного состояния не
зависит от длины волны возбуждающего света, т. е. от того, по-
падает ли молекула при поглощении света сразу на уровень’
вблизи точки О или же она попадает на один из более высоких
колебательных уровней (переход, подобный переходу ЕР).
46
ГЛАВА I
Вместе с тем показано, что у некоторых молекул потенциальные
кривые пересекаются при более высоких колебательных кванто-
вых числах (например, в точке О' пунктирной кривой рис. 13),
и для этих молекул уменьшение длины волны возбуждающего
.света приводит к увеличению эффективности фосфоресценции
[18, 19]. Для ряда других молекул интеркомбинационная конвер-
сия осуществляется путем термической активации из нижнего в
верхние колебательные уровни состояния Si [20]. Наконец, для
некоторых соединений были получены экспериментальные указа-
ния на интеркомбинационную конверсию из верхних синглетных
состояний (рис. 12, процесс Ь) [21, 22], хотя другие авторы [20]
сомневаются в существовании процессов этого типа.
Константа скорости интеркомбинационной конверсии из ниж-
него электронно-возбужденного синглетного состояния в триплет-
ное состояние — один из важнейших фотохимических парамет-
ров. На первый взгляд может показаться, что столь же легко
осуществляется и другой, аналогичный процесс — интеркомбина-
ционная конверсия с нижнего колебательного уровня триплет-
ного состояния на верхний колебательный уровень основного
состояния (процесс с на рис. 12). В действительности же этот
процесс обычно в 106—109 раз медленнее, чем интеркомбинацион-
ная конверсия из возбужденного синглета в триплет. Эта осо-
бенность, весьма загадочная на первый взгляд, — чрезвычайно
благоприятное обстоятельство, ибо в противном случае, т. е. при
близких скоростях двух упомянутых ’процессов, было бы очень
трудно наблюдать долгоживущую фотолюминесценцию. Оче-
видно, что если бы безызлучательный 7\ -> 50-переход имел кон-
станту скорости 108 с-1, молекула не располагала бы временем,
достаточным для осуществления запрещенного по спину про-
цесса— Т\ -> So-фосфоресценции. С другой стороны, если бы
Si -> Ti-конверсия была столь же медленной, что и Тх -> So-кон-
версия, то она не могла бы эффективно конкурировать с флуорес-
ценцией и заселением триплета при поглощении света нельзя
было бы пренебречь только при очень высоких интенсивностях
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 энергии
трех состояний (см. рис. 13). Потенциальная поверхность 1\
ближе к поверхности Sb чем к поверхности So. Следовательно,
можно ожидать, что она пересекает поверхность Sj во многих
точках и что поэтому вероятность Si -> /^-конверсии высока. На-
против, разность энергий триплетного и основного состояний
сравнительно велика, поэтому пересечение потенциальных по-
верхностей и, следовательно, интеркомбинационная конверсия
ОСНОВНЫЕ ПРИНЦИПЫ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ
47
менее вероятны. Определенную роль могут играть 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 которого энергетическое 1\ —So-
расщепление немногим больше, чем Si — Гграсщепление. Воз-
можно, что в этих молекулах имеет место интеркомбинационная
конверсия из состояния Si в более высокое триплетное состояние,
например Га. Такие переходы были постулированы Лимом и
сотр. [20], которые, опираясь 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
энергия 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 Si в более высокое триплетное состояние; при этом энергия
активации соответствует разности энеэгий этих состояний или
же обусловливается различиями в относительном расположении
их потенциальных поверхностей.
Третий тип интеркомбинационной конверсии, играющий важ-
ную роль в явлении замедленной флуоресценции, представляет
собой обращение Si -> Л-конверсии (процесса а на рис. 12). Он
может осуществляться в молекулах, у которых триплет располо-
жен настолько близко к верхнему синглету, что уже при комнат-
ной температуре за счет термической активации ощутимо засе-
ляются те колебательные уровни триплета, которые имеют
энергию, равную энергии нижнего колебательного уровня элек-
тронно-возбужденного синглетного состояния. Это и обеспечи-
вает возможность перехода в возбужденное синглетное состоя-
ние, или обратной интеркомбинационной конверсии. Для три-
плетных молекул, термически активированных указанным путем,
вероятность интеркомбинационной конверсии Si <— 7\, по-види-
мому, имеет тот же порядок величины, что и для процесса а, т. е.
константа скорости составляет примерно 108 с"1.
3. Определение фосфоресценции и замедленной
флуоресценции
Излучательным переходам Si->S0 и Ti->S0 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
ГЛАВА I
Si-> So-переходе, мы назовем флуоресценцией, а все виды лю-
минесценции при Т\ -> So-переходе — фосфоресценцией. Состоя-
ние Si можно заселить несколькими путями, и им будут соот-
ветствовать разные типы флуоресценции. Простейший из них
уже обсуждался в разделе Б: молекулы поглощают свет и пере-
ходят из основного состояния в состояние Si, остаются в этом
состоянии в среднем в течение времени, равного времени жизни
этого состояния (примерно 10-8 с), а затем возвращаются
Волновое число
Рис. 14. Относительное расположение спектров поглощения, флуоресценции
и фосфоресценции.
Интенсивность замедленной флуоресценции редко превышает несколько процентов от
интенсивности быстрой флуоресценции.
в основное состояние путем излучательного Si -> So-перехода.
Такое испускание мы назовем быстрой флуоресценцией.. Но су-
ществуют процессы, когда молекула попадает в возбужденный
синглет через триплетное состояние. Эти процессы также при-
водят к Si -> So-испусканию, однако с временем жизни гораздо
больше времени жизни состояния Si, и мы назовем его замед-
ленной флуоресценцией. Механизм перехода из состояния Т\ в
состояние Si может быть различным, и в зависимости от этого
в дальнейшем мы дадим определения замедленной флуоресцен-
ции «типа Е» и «типа Р». Наконец, существуют и другие разно-
видности испускания, когда большое время жизни не связано
непосредственно с большим временем жизни триплетного состоя-
ния. Так, рекомбинационная замедленная флуоресценция и ре-
комбинационная фосфоресценция наблюдаются в тех случаях,
когда облучение твердых растворов приводит прямо или кос-
венно к разложению молекулы на осколки, при медленной реком-
бинации которых получаются молекулы в возбужденном син-
глетном или триплетном состоянии,
ОСНОВНЫЕ ПРИНЦИПЫ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ
49
Типичная картина спектров поглощения, быстрой флуоресцен-
ции, замедленной флуоресценции и фосфоресценции показана на
рис. 14. Спектры быстрой и замедленной флуоресценции обычно
примыкают к длинноволновому краю первой полосы поглощения
и часто являются ее зеркальным отражением. Фосфоресценция
(и рекомбинационная фосфоресценция) появляется при больших
длинах волн, так как триплетный уровень расположен ниже пер-
вого возбужденного синглета (см. рис. 12).
В последние годы 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 гл. II
подробно рассмотрим кинетику этих процессов.
4. Замедленная флуоресценция типа Е
Давно известно, что в твердых растворах некоторых органи-
ческих веществ после облучения ультрафиолетовым светом на-
блюдается долгоживущее испускание, или «послесвечение». В
1929 г. Перрен [25] предположил, что возбужденные молекулы
способны переходить на низлежащий метастабильный уровень,
спонтанное испускание из которого невозможно, а затем за счет
термической активации возвращаться на флуоресцентный уро-
вень и в конце концов испускать флуоресценцию. Испускание
этой флуоресценции должно быть «замедленным», так как перед
этим молекула побывала в метастабильном состоянии.
В 1933 г. Яблонский [26] расширил схему Перрена, включив
в нее возможность излучательного перехода из метастабильного
состояния в основное состояние, происходящего с низкой вероят-
ностью (т. е. фосфоресценции; ср. определение, данное выше
в разделе 3). Таким образом он объяснил существование двух
полос долгоживущего испускания, одна из которых появляется
при высоких температурах и имеет спектр, подобный спектру
флуоресценции («фосфоресценция при комнатной температуре»),
а другая возникает при низких температурах и имеет спектр,
сдвинутый в красную сторону («фосфоресценция при низких тем-
пературах»). Яблонский пришел к выводу о том, что должен
иметь место и прямой безызлучательный переход из метаста-
бильного состояния в основное, и отметил, что в спектре погло-
щения должйа присутствовать слабая полоса, отвечающая пря-
мому излучательному переходу из основного в метастабильное
состояние. Работы Яблонского [26, 27] стимулировали дальней-
шие исследования, а его схема лежит в основе более подробной
диаграммы уровней энергии (рис. 12).
В 1936 г. Лёвшин и Винокуров [28] показали, что обе полосы
испускания флуоресцеина в борнокислотном стекле затухают при
50
ГЛАВА I
комнатной температуре с одинаковой скоростью, и это было
прямым экспериментальным доказательством того, что переходы
происходят из одного и того же метастабильного состояния дву-
мя путями, дающими различные типы испускания. Люминесцен-
ция флуоресцеина в борной кислоте более подробно была
изучена Льюисом и сотр. [29]. Для испускания, называемого нами
замедленной флуоресценцией типа Е, они ввели обозначение
«альфа-фосфоресценция», а для испускания, называемого теперь
фосфоресценцией, — обозначение «бета-фосфоресценция». Кроме
того, они измерили спектр поглощения метастабильного 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 энергия активации оказалась равной разности энергий,
рассчитанной по разности частот полос испускания, и, следова-
тельно, можно 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 многократно подтвержден в после-
дующих работах.
В жидких растворах скорость излучательного Тх -> So-пере-
хода гораздо меньше скоростей интеркомбинационной конверсии
и (или) тушения триплетного состояния примесями. Поэтому
эффективность фосфоресценции в жидких растворах мала, и до
последнего времени ее наблюдали чрезвычайно редко. Первые
количественные измерения провела в 1930 г. Будэн [31]. При по-
мощи визуального фосфороскопа она наблюдала при комнатной
температуре долгоживущую фотолюминесценцию эозина в гли-
церине, время жизни которой составляло 1,1 мс, а интенсивность
была в 400 раз ниже интенсивности быстрой флуоресценции. Не-
сколько лет спустя Каутский [32] сообщил о долгоживущем
испускании ряда красителей в растворах, освобожденных от кис-
лорода. В последующие годы этому вопросу уделяли мало вни-
мания. Положение изменилось после того, как была развита ме-
тодика импульсного фотолиза. Применив ее, Бекстрём и Сандрос
[33] исследовали тушение триплетного состояния диацетила —
вещества, уже давно известного своей способностью фосфоресци-
ровать.
Вопрос о долгоживущей люминесценции в жидких растворах
был вновь поднят Паркером и Хатчардом [19]. Применив высоко-
чувствительный спектрофосфориметр, они измерили спектр дол-
ОСНОВНЫЕ ПРИНЦИПЫ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ
51
гоживущего испускания эозина в глицерине и в этаноле, освобо-
жденных от кислорода, и обнаружили полосу в видимой области,
по спектральному распределению идентичную быстрой флуорес-
ценции и, без всякого сомнения, соответствующую долгоживущей
люминесценции, наблюдавшейся Будэн [31], а также другую по-
лосу, расположенную в крайней красной области спектра. Коли-
чественные выводы из этой работы подробно рассматриваются
в гл. 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
гр Термическая активация с Излучательный переход q
1 j > О i------------------> Oq, poj
а испускание в красной области — в результате прямого излуча-
тельного Т\ -> So-перехода (т. е. по нашей терминологии — фос-
форесценции). Таким образом, полосы оказались полностью ана-
логичными полосам, которые обсуждал Яблонский [26, 27], и
«альфа- и бета-фосфоресценции» флуоресцеина в твердом рас-
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 этого типа было обнаружено также в жидких рас-
творах ряда других красителей [35, 36]. Оно должно существо-
вать у всех тех флуоресцирующих соединений, которые имеют
значительную эффективность образования триплетов и неболь-
шую разность энергий триплетного и первого возбужденного син-
глетного состояний.
5. Замедленная флуоресценция типа Р
Интерпретацию ранних наблюдений замедленной флуорес-
ценции типа Р затрудняли два обстоятельства: во-первых, не-
достаточная чистота образцов в некоторых опытах, во-вторых,
то, что большое время жизни этого вида испускания ошибочно
объясняли образованием долгоживущих возбужденных димеров.
В 1950 г. Дикун [37] сообщил о двух компонентах фотолю-
минесценции паров фенантрена, одна из которых имела время
жизни, характерное для быстрой флуоресценции, а другая — го-
раздо большее (около Ю-3^). В 1958 г. Уильямс [38] наблюдал
долгоживущее испускание паров антрацена, перилена, пирена и
фенантрена. Отношение интенсивностей долгоживущего и пол-
ного испускания возрастало с увеличением давления паров фе-
нантрена, и Уильямс предположил, что долгоживущее испу-
скание всех четырех соединений обусловлено долгоживущими
52
ГЛАВА I
возбужденйыми—димерами — продуктами соединения синглет-
возбужденной молекулы с молекулой в основном состоянии:
+ (34)
По Уильяш:уг-д^рмичб€*ая-диссоциация возбужденного димера
приводит к регенерации синглет-возбужденного мономера, а его
испускание — к замедленной флуоресценции. Действительно,
спектры долгоживущего испускания антрацена и перилена ока-
зались идентичными спектрам их быстрой флуоресценции, одна-
ко в работе Уильямса не был приведен спектр долгоживущего
испускания использованного им фенантрена. Работа Дикуна бы-
ла повторена Стивенсом, Хаттоном и Портером [39], которые об-
наружили, что спектр долгоживущей люминесценции паров фе-
нантрена тождествен спектру флуоресценции антрацена. Они
предположили, что образец фенантрена содержит следы антра-
цена и что замедленная флуоресценция последнего возбуждается
при его столкновении с «долгоживущим возбужденным димером»
фенантрена, постулированным Уильямсом.
За несколько лет до этого Фёрстер и Каспер [40] показали
в своей знаменитой работе по быстрой флуоресценции концен-
трированных растворов пирена, что синглет-возбужденный пирен
действительно реагирует с невозбужденной молекулой пирена и
при этом получается возбужденный димер, излучательный пере-
ход в котором ответствен за широкую бесструктурную полосу,
расположенную с длинноволновой стороны от полосы испуска-
ния мономера (эта работа подробно обсуждается в гл. IV). Они
не измерили время жизни возбужденного димера, но в 1960 г.
Стивенс и Хаттон [41] показали, что в концентрированных рас-
творах пирена спектр долгоживущего испускания идентичен по-
лученному Фёрстером и Каспером спектру испускания возбуж-
денного димера. Долгоживущего испускания мономера они не
обнаружили, хотя позднее Паркер и Хатчард [34] зарегистриро-
вали и его. Стивенс и Хаттон предположили, что велико время
жизни самого димера, т. е. они приняли механизм Уильямса.
Такие «долгоживущие» возбужденные димеры они предложили
называть «эксимерами», а впоследствии объяснили «сенсибили-
зацией возбужденными димерами» явление сенсибилизированной
замедленной флуоресценции в смесях паров других соединений
[39, 42].
На этой стадии казалось, что существование долгоживущих
возбужденных димеров («эксимеров») доказано достаточно стро-
го. Однако в 1961 г. Паркер и Хатчард [43] показали, что время
жизни большей части испускания димеров в растворах пирена
короче 5-10~5 с, а последующие прямые флуорометрические из-
мерения Биркса и Мунро [44] дали значение 4-10~8 с. Стало не-
понятно, как механизм Уильямса может объяснить большое
ОСНОВНЫЕ ПРИНЦИПЫ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ
53
время жизни испускания, исследованного Стивенсом и Хаттоном.
Решение 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 поглощения возбуждаю-
щего света, и показали, что замедленная флуоресценция возни-
кает за счет переноса энергии между триплетными молекулами,
в^результате которого одна из молекул попадает в возбужденное
синглетное состояние; последующее испускание и представляет
собой замедленную флуоресценцию, скорость затухания которой
оказывается равной удвоенной скорости исчезновения триплетов
(см. гл. II). Механизм Паркера — Хатчарда кратко можно пред-
ставить в следующем виде:
М + М -> (М;) -> М* + 1А (35)
(Показан промежуточный синглет-возбужденный димер, но про-
цесс может идти, минуя стадию образования димера.) В случае
растворов пирена наличие промежуточной стадии образования
димера М2 можно было установить по полосе его испускания,
появляющейся в спектре долгоживущей люминесценции разбав-
ленных растворов наряду с полосой испускания М*. Паркер и
Хатчард предположили, что механизм триплет-триплетного вза-
имодействия мог бы объяснить экспериментальные данные по
люминесценции паров ароматических углеводородов, полученные
Уильямсом [38] и Стивенсом и сотр. [39, 42]; впоследствии Сти-
венс, Уокер и Хаттон [47] подтвердили это предположение. Таким
образом, для объяснения любого из наблюдавшихся явлений
(как в жидкой, так и в газовой фазе) оказалось совсем ненуж-
ным постулировать долгоживущие возбужденные димеры («экси-
меры»). Тем не менее многие исследователи приняли термин
«эксимер» для обозначения короткоживущих возбужденных ди-
меров, подобных обнаруженным Фёрстером и Каспером.
Поскольку механизм замедленной флуоресценции этого типа
был установлен сначала для растворов пирена, то Паркер и Хат-
чард [34] предложили назвать ее замедленной флуоресценцией
типа Р в отличие от замедленной флуоресценции типа Е, обсуж-
давшейся в предыдущем разделе. Кинетику процесса типа Р мы
обсудим в гл. II, а вопросы образования возбужденных димеров
в гл. IV.
6. Рекомбинационная фотолюминесценция
Л^юис и Липкин [48] показали, что^в жестких средах могут
протекать три типа первичных фотохимических реакций:
Фотодиссоциация, например
Ph3C-CPh3 —> 2Ph3C-. (36)
54
ГЛАВА I
Фотоокисление, например
Ph2NH-^>Ph2N+H + e. (37)
Фотоионизация, например
Ph2N+H Ph2N« + Н+. (38)
Льюис и Каша [30] предложили два механизма этих реак-
ций: превращение может осуществляться либо в результате
поглощения фотона молекулой в основном состоянии
’(ЛВ)-^>Л + В, (39)
либо в результате поглощения фотона триплетной молекулой
\АВ) \АВ/ -> 3(АВ) —+ А + В. (40)
В жесткой среде при низкой температуре можно накопить зна-
чительные концентрации триплетных молекул, и поглощение ими
фотонов является достаточно вероятным процессом. В брутто-
реакции [40] последовательно поглощаются два отдельных фо-
тона и при малых интенсивностях возбуждающего света скорость
такого двухфотонного процесса пропорциональна квадрату ин-
тенсивности. ' , •
Одними из первых исследователей рекомбинационного испу-
скания были Дебай и Эдвардс [49]. Они облучали при 77 К твер-
дые растворы легко окисляющихся веществ (фенол, толуидин)
и зарегистрировали испускание с чрезвычайно высоким временем
жизни (более 100 с). Его^затухание было неэкспоненциальным,
и авторы предположили, что имеет место лоследовательность ря-
да стадий: фотоионизация [по терминологии Льюиса и Липки-
на — фотоокисление, см. уравнение (37)], дифф^ия^замаченных
матрицей электронов к ионизованным молекулам и их рекомби-
нация, в результате которой получается возбужденное состояние:
А^А+А-е, (41)
А+ + е —> ЛВ03б, (42)
Лвозб->Д + Ь'. (43)
.Липшиц, Берри и Швейцер [50] исследовали спектры погло-
щения при низкой температуре стеклообразных растворов лития
в аминах. Они обнаружили интенсивный пик при 600 нм, а также
более слабое поглощение, простирающееся в инфракрасную об-
ласть. При освещении поло^дбОО нм ослаблялась, а длинновол-
новый фон усиливалс^Ли^хлощение в области 600 нм авторы
приписали сильно сольватированным электронам, а длинновол-
новое поглощение — слабо сольватированным электронам. За-
тем они облучили стеклообразные растворы легко окисляемых
ОСНОВНЫЕ ПРИНЦИПЫ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ
55
органических соединений и идентифицировали в спектрах погло-
щения как» полосы сольватированных электронов, так и полосы
радикалов или ион-радикалов. Рекомбинация при температуре
жидкого азота была очень медленной, но при нагревании облу-
ченного раствора происходило испускание люминесценции и
ослабление полос поглощения 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 реком-
бинационной фосфоресценцией), переходов типа Si ->S0 обнару-
жено не было, но причиной этого нельзя считать большую
скорость интеркомбинационной конверсии, поскольку при фото-
возбуждении возникала интенсивная быстрая флуоресценция.
Подобные же результаты получили Альбрехт и сотр. [51—53],
которые облучали инфракрасным светом фотоионизированный
твердый раствор тетраметил-/г-фенилендиамина и зарегистриро-
вали при этом как рекомбинационную фосфоресценцию, так и
рекомбинационную замедленную флуоресценцию. Отношение ин-
тенсивностей этих видов испускания оказалось значительно боль-
ше отношения интенсивностей обычной фосфоресценции и бы-
строй флуоресценции того же самого образца, что указывало на
прямое заселение триплетного состояния в рекомбинационном
процессе, а именно
А+ + е->М. (44)
Альтернативный процесс, т. е. заселение электронно-возбужден-
ного синглетного состояния
Л+ + е->М*, . (45)
был постулирован Лимом и сотр. [54—56], которые облучали
при 77 К растворы акрифлавина и родственных красителей в
эфир-пентан-этанольном стекле и обнаружили замедленную флу-
оресценцию, продолжавшуюся несколько секунд. Кроме того,
они зарегистрировали по поглощению промежуточное вещество,
идентифицированное как положительный ион-радикал — продукт
фотоионизации. За исключением ранней стадии, замедленная
флуоресценция затухала экспоненциально со скоростью, равной
скорости исчезновения ион-радикалов. Интегральная интенсив-
ность замедленной флуоресценции и начальная концентрация
ион-радикалов оказались пропорциональными интенсивности
возбуждающего света, и авторы сделали вывод об однофотонном
механизме возбуждения. Эффективность замедленной флуорес-
ценции увеличивалась при уменьшении длины волны возбуж-
дающего света. Эти результаты были интерпретированы в рам-
ках модели, подобной предложенной Альбрехтом и сотр. для
люминесценции тетр<аметил-/г-фенилендиамина, хотя позднее
56
ГЛАВА I
Альбрехт и Кадоган [57] заново рассмотрели свои результаты
уже исходя из двухфотонного механизма.
Влияние длины волны возбуждающего 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-триплетного поглощения пери-
лена, и они приняли двухфотонный механизм, включающий
фотоионизацию триплетного состояния и рекомбинацию, в ре-
зультате которой заселяются и триплетное и возбужденное син-
глетное состояния:
(46)
3Р— >Р+ + е, (47)
Р+ + ^-|->^ (48)
I—-> 6Р
Впоследствии были высказаны сомнения [59] в правильности этой
интерпретации из-за возможного влияния фосфоресценции кювет
или примесей в растворе (см. раздел III, Н, 8).
Портер и сотр. [60, 61] исследовали двухфотонные фотохими-
ческие процессы, индуцированные поглощением света триплет-
ными состояниями в твердых средах при 77 К. Для растворов
ароматических соединений в алифатических углеводородах они
установили два типа процессов: а) ионизация растворенного
вещества; б) сенсибилизированная диссоциация растворителя
на атомы водорода и свободные радикалы и отрыв последними
атомов водорода от растворителя или растворенного вещества,
в результате чего получаются радикалы растворенного вещества.
Под действием инфракрасного света или при слабом нагревании
наблюдались флуоресценция и фосфоресценция, возникавшие в
результате рекомбинации ионов и электронов. Отношение интен-
сивностей фосфоресценции и флуоресценции было выше, чем при
обычном оптическом возбуждении, и в этом отношении резуль-
таты были идентичны результатам Альбрехта и сотр. [57], впо-
следствии пересмотренным с точки зрения двухфотонного меха-
низма.
Г. ПОЛЯРИЗАЦИЯ ФОТОЛЮМИНЕСЦЕНЦИИ
1. Поляризованный свет
Колебания электрического и магнитного полей, образующих
световую волну, происходят перпендикулярно друг другу и на-
правлению распространения волны. В дальнейшем при рас-
смотрении поляризации мы будем следить за направлением элек-
ОСНОВНЫЕ ПРИНЦИПЫ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ
5?
трического поля. В «естественном», т. е. неполяризованном, свете
колебания происходят во всех направлениях, перпендикулярных
направлению распространения. Если пучок неполяризованного
света пропустить через поляри-
затор (например, кристалл
турмалина или призму Нико-
ля, см. раздел III, Р, I), то вы-
ходящий пучок станет плоско
поляризованным, или прямоли-
нейно поляризованным, — ко-
лебания электрического векто-
ра будут происходить только
в одной плоскости*. Рис. 15
иллюстрирует разницу между
естественным и прямолиней-
но поляризованным светом.
На рис. 16 схематично по-
казан процесс поглощения по-
ляризованного света молекулой.
Рис. 15. Направления электриче-
ского вектора в поляризованном и
неполяризованном свете.
В неполяризованном (а) или частично по-
ляризованном (в) свете колебания происхо-
дят под всеми углами перпендикулярно
направлению распространения; в поляризо-
ванном свете (б) они ограничены одним
углом.
Электрический вектор застав-
ляет электроны молекулы колебаться, и если частота света имеет
соответствующее значение [уравнение (7)], то электрон возбуж-
дается в состояние с более высокой энергией, орбиталь которого
Основное Возбужденное
состояние состояние
Рис. 16. Поглощение плоско поляризованного света.
в
имеет узловую плоскость, перпендикулярную направлению инду-
цированного колебания. Если молекула ориентирована так, что
* По определению (см., например, Ландсберг Г. С., Оптика, Гос. изд-во
технико-теорет. лит., М., 1947 и последующие издания) плоскость, в которой
расположен электрический вектор, называют плоскостью колебаний прямо-
линейно поляризованного света, а плоскостью поляризации — плоскость, в
которой расположен магнитный вектор. Следовательно, плоскость поляриза-
ции перпендикулярна направлению колебаний электрического вектора. В ори-
гинале книги эта терминология не выдерживается. При переводе книги пере-
водчики и редактор старались избегать выражения «плоскость поляризации»,
которое автор понимает как плоскость колебаний электрического вектора.
Вопросы поляризации люминесценции подробно рассмотрены в следующих
монографиях: Феофилов П. П., Поляризованная люминесценция атомов, мо-
лекул и кристаллов, Изд-во АН СССР, М., 1959; Гуринович Г. П., Севчен-
ко А. Н., Соловьев К. Н-, Спектроскопия хлорофилла и родственных соедине-
ний, «Наука и техника», Минск, 1968. — Прим. ред.
58
ГЛАВА 1
ее переходный момент перпендикулярен электрическому вектору
(т. е. расположен не в плоскости рис. 16, а перпендикулярно ей),
то вероятность поглощения равна нулю. При промежуточных
углах вероятность поглощения отличается от нуля, но всегда
меньше, чем при ориентации, показанной на рис. 16. Нетрудно
найти вид зависимости вероятности поглощения от ориентации
молекулы, которую можно характеризовать углом 0 между осью
молекулы и направлением электрического вектора. Амплитуду
последнего (Д на рис. 15 и 16) можно разложить на две взаимно
перпендикулярные составляющие — по оси молекулы и перпен-
дикулярно ей. Тогда действующая амплитуда окажется равной
A cos 0, а интенсивность, пропорциональная квадрату амплиту-
ды,— X2cos20. Следовательно, вероятность поглощения при
данной ориентации 0 пропорциональна cos2 0, и если пучок не-
поляризованного света проходит через достаточно толстый слой
одинаково ориентированных молекул (как, например, в кри-
сталле турмалина), то составляющие всех векторов, параллель-
ные оси перехода, поглотятся, а перпендикулярные составляю-
щие будут пропущены и, сложившись, дадут пучок прямоли-
нейно поляризованного света.
2. Степень поляризации
Если пластинка из кристалла турмалина достаточно тонкая,
то составляющая, параллельная оси перехода, поглотится не
полностью и вышедший свет будет частично поляризован (см.
рис. 15, в). Частично поляризованный свет можно получить мно-
гими 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
1Ц -11
где /д и /х — 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. 3
3. Поляризация люминесценции ориентированных
молекул
Если при поглощении света молекула попадает в самое ниж-
нее возбужденное состояние, а затем испускает флуоресценцию
ОСНОВНЫЕ ПРИНЦИПЫ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ
59
и возвращается в основное состояние, то испускание представ-
ляет собой точное обращение процесса поглощения, обсуждавше-
гося в разделе I, Г, 1 (см. рис. 16), и ось перехода испускающей
свет молекулы лежит в плоскости колебаний испускаемого света.
Направление испускаемого луча не обязательно должно быть
перпендикулярным оси перехода, но перпендикулярное направ-
ление является наиболее вероятным.
Для лучшего понимания рассмотрим гипотетический образец,
все флуоресцирующие молекулы которого помещены в жесткую
среду и одинаково ориентированы (приближением к этому иде-
альному образцу может быть растянутая полимерная пленка;
Рис. 17. Испускание поляризованного света ориентированными молекулами,
если молекулы полимера длинные, то они частично ориенти-
руются вдоль пленки). На рис. 17 образец помещен в центр О
прямоугольной системы координат XYZ, причем оси ОХ и OZ
лежат в плоскости рисунка, а ось OY перпендикулярна ей. Мо-
лекулы ориентированы так, что их оси параллельны оси OZ, а
электрический вектор падающего на них света колеблется в пло-
скости XOZ, Для всех направлений, лежащих в плоскости XOY,
интенсивность испускаемой флуоресценции будет наибольшей,
а для направлений, составляющих с плоскостью XOY угол а,
будет уменьшена в cos2 а раз. Если для каждого угла а от-
ложить отрезок ОР, пропорциональный интенсивности, то при
изменении угла а конец отрезка Р опишет фигуру, показанную
на рис. 17 пунктиром. Фигура симметрична относительно оси OZ,
и при ее вращении вокруг этой оси получается поверхность, со-
ответствующая всем возможным направлениям распространения
флуоресценции. Какими бы они ни были, электрический вектор
будет всегда колебаться в плоскости ZOP. Очевидно, что в нат
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 возбуждающего
света. Если это направление, кроме того, перпендикулярно оси
60
ГЛАВА I
перехода ориентированных молекул (т. е. оси ОУ), то свет
будет полностью поляризован в вертикальном направлении
(р = 1), а его интенсивность будет максимальной. Интенсив-
ность флуоресценции вдоль оси перехода (т. е. вдоль OZ) будет
равна нулю. Заметим также, что поляризация испускания вдоль
оси OY будет равна единице даже тогда, когда образец осве-
щается неполяризованным светом, ибо его горизонтальная со-
ставляющая не будет поглощаться образцом.
Если оси молекул не параллельны оси OZ, а наклонены к ней
под углом у, то поглощение возбуждающего света будет пони-
жено в cos2 у раз. Испускаемая флуоресценция и в этом случае
будет поляризована, однако, вообще говоря, плоскость колеба-
ний уже не будет вертикальной (т. е. не будет плоскостью ZOY).
Например, если оси молекул параллельны линии ОР (т. е.
у = л/2 — а), то плоскость колебаний будет наклонена к верти-
кали под углом у.
4. Поляризация люминесценции случайно ориентированных
молекул
В общем случае исследуют люминесценцию таких растворов
(жидких или твердых), в которых молекулы растворенного ве-
Рис. 18. Поглощение и
испускание света беспоря-
дочно ориентированными
молекулами.
Точка S'— проекция точки S на
плоскость XOY.
щества распределены равномерно и
ориентированы беспорядочно, случай-
но. Ниже мы рассмотрим влияние слу-
чайной ориентации на степень поля-
ризации флуоресценции, наблюдаемой
под прямыми углами к пучку возбуж-
дающего света. Для простоты рас-
смотрим сначала такое вещество, у ко-
торого направления переходных мо-
ментов для поглощения и для испу-
скания одинаковы. [В первом прибли-
жении это отвечает случаю возбужде-
ния типа Si-«-So и испусканию типа
Si->S0 (см., однако, раздел I, Г, 5) в
условиях, когда отсутствует деполяри-
зация (т. е. в разбавленных твердых
растворах; см. разделы I, Г, 5 и I, Г, 6).]
Поляризацию в отсутствие деполяриза-
ции называют предельной поляриза-
цией * и обозначают ро.
На рис. 18 переходный момент молекул направлен вдоль ли-
нии OS, направление которой задается углом 0 с осью OZ и ази-
* В оригинале — «principal polarization». В русской литературе принят
термин «предельная поляризация».—Прим. ред.
ОСНОВНЫЕ ПРИНЦИПЫ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ
61
мутальным углом ф с направлением наблюдения OY (S' — про-
екция точки S на плоскость XOY). Если молекула возбуждается
светом, поляризованным так, что его электрический вектор на-
правлен вдоль оси OZ, то вероятность возбуждения изменяется
в зависимости от угла 0 пропорционально величине cos2 0. Далее,
при данном числе таких возбужденных молекул для интенсивно-
стей вертикальной и горизонтальной составляющих света, испу-
скаемого в направлении оси ОУ, можно написать следующие вы-
ражения:
/ц ос cos2 0, (50)
/± ос sin2 0 • sin2 ф. (51)
Если в дополнение к выражениям (50) и (51) учесть еще и зави-
симость вероятности возбуждения от угла 0, то при суммирова-
нии по всем возможным значениям углов 0 и ф можно получить
следующий результат:
.-AzZi-l (52)
Р<> ~ /„ + /± 2 ’
если возбуждающий свет поляризован вертикально; если он не
1
поляризован, то р0 равно .
5. Поляризационные спектры
Уравнение (52) дает максимальное значение р0 д7ля раство-
ров случайно ориентированных молекул, получающееся только
тогда, когда направления переходных моментов для поглощения
и испускания совпадают. В общем случае это не будет иметь
места, например, тогда, когда в результате поглощения моле-
кула попадает в более высокое возбужденное состояние, а затем
переходит на самый нижний возбужденный синглетный уровень
или на самый нижний триплетный уровень, а затем испускает
флуоресценцию или соответственно фосфоресценцию. Если осцил-
ляторы поглощения и испускания направлены под углом р друг
к другу, т0> как показали Перрен [62] и Яблонский [63],
Ро = (з cos2 р - 1 )/(cos2 р + 3) (53)
для вертикально поляризованного возбуждающего света и
Ро = (3 cos2 р - 1 )/(7 - cos2 р) (54)
для неполяризованного возбуждающего света *. Если Р = 0,
то эти уравнения дают значения !/2 и в соответствии с тем,
* Впервые эти формулы, а также уравнения (55) —(57) (см. ниже) по-
лучены В. Л. Левшиным [Лёвшин В. Л., Ж. русск. физ.-хим. об-ва, часть
физич., 57, 283 (1925)]. — Прим. ред.
62
ГЛАВА I
что говорилось в предыдущем разделе. Если же р == л/2, т. е.
осцилляторы поглощения и испускания взаимно перпендикуляр-
ны, то получаются значения —7з и — V7. Следовательно, в об-
щем случае при изменении угла р предельная поляризация
варьирует в следующих пределах:
от +V2 ДО —7з, если возбуждающий свет вертикально поля-
ризован;
от +7з до —77, если возбуждающий свет неполяризован.
То, что поляризация может быть отрицательной величиной,
т. е. что флуоресценция может быть частично поляризована
Рис. 19. Взаимосвязь между
спектром поглощения (/) и поля-
ризацией спектра возбуждения
флуоресценции (2).
Гипотетический идеальный случай.
в горизонтальном направлении,
отчетливо видно на рис. 18. Свет
возбуждает главным образом те
молекулы, для которых угол 0
мал, и если угол р велик, то ос-
цилляторы испускания будут на-
клонены к оси OZ под углами,
близкими к л/2, так что верти-
кально поляризованная состав-
ляющая испускания будет мала,
а среднее значение горизонталь-
ной составляющей велико.
Рассмотрим теперь гипотети-
ческое вещество, у которого пе-
реходные моменты поглощения и
испускания направлены парал-
лельно друг другу для первой по-
лосы поглощения а (кривая 1
на рис. 19), но перпендикулярно друг другу для второй полосы
поглощения Ь. Допустим, что возбуждающий свет поляризован
вертикально. Построив зависимость поляризации флуоресценции
от длины волны возбуждающего света, мы получим поляриза-
цию спектра возбуждения флуоресценции (кривая 2). Для дан-
ного идеального случая при уменьшении длины волны область
первой полосы поглощения, где ро постоянна и равна 0,5, сме-
няется при перекрывании полос быстрым падением степени по-
ляризации, после чего последняя достигает постоянного значе-
ния —0,333 в области второй полосы поглощения. Таким обра-
зом, по ' поляризационным спектрам- принципиально возможно
различить перекрывающиеся полосы, отвечающие разным элек-
тронным переходам. Кроме того, используя уравнение (53),
можно определить угол р, т. е. установить, как ориентированы
переходные момент^ различных полос поглощения относительно
переходного момента испускания из самого низкого возбужден-
ного состояния (синглетного или триплетного в зависимости от
того, что измеряется — флуоресценция или фосфоренценция).
ОСНОВНЫЕ ПРИНЦИПЫ И ОПРЕДЕЛЕНИЙ
63
Поляризационные спектры флуоресценции в действительности
гораздо сложнее, чем это показано на рис. 19. В значительной
степени это объясняется присутствием нескольких перекрываю-
щихся переходов, однако значение /?о, равное 0,5, далеко не все-
гда получается даже для «чистых» Si So-псреходов, и мо-
жет принимать различные значения для разных компонент коле-
бательной структуры полосы флуоресценции, т. е. поляризация
испускания флуоресценции при постоянной длине волны возбу-
ждения может зависеть от длины волны испускания (см., на-
пример, [64]). То, что предельная поляризация не всегда при-
нимает максимально возможное теоретическое значение, в ра-
боте [65] отнесено на счет влияния крутильных колебаний мо-
лекулы в возбужденном состоянии.
6. Вращательная деполяризация флуоресценции
До сих пор мы считали раствор жестким, т. е. предполагали,
что между актами возбуждения и испускания ориентация моле-
кулы не изменяется. Если вязкость раствора мала, то молекулы
растворенного вещества быстро вращаются и при достаточно
высоком времени жизни их возбужденных состояний еще до
акта испускания' света установится случайное распределение
ориентаций. Поэтому испускаемый свет будет полностью деполя-
ризован. Очевидно, что степень деполяризации должна зависеть
от среднего периода вращения (или времени вращательной ре-
лаксации р) и времени жизни испускания т. Влияние указанных
величин на степень поляризации р определяется [25] выраже-
нием
для вертикально поляризованного возбуждающего света и вы-
ражением
+-U1+—
3 \р0 зД1 р/
(56)
для неполяризованного возбуждающего 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 г] соотношением
Р = -^у-. (57)
где V—молярный объем. Таким образом, если в условиях, ко-
гда время жизни т постоянно, измерена зависимость степени по-
ляризации раствора от температуры, то график в координатах
64
ГЛАВА 1
\/р и Т/х] должен представлять собой прямую линию. Из отсече-
ния на оси ординат можно найти предельную поляризацию ро,
а из наклона — отношение т/V. Если известно время жизни т,
можно вычислить молярный объем V.
(58)
7. Деполяризация в результате переноса энергии
Хотя диполь-дипольный перенос энергии между соседними
молекулами (см. раздел II, Б, 6) наиболее эффективен при па-
раллельности молекул акцептора и донора, он может идти и
в том случае, когда они не точно параллельны. Результатом
переноса энергии будет деполяризация, описать которую можно
следующим уравнением [66]:
1 1 _/ 1 1 4лА^. 103 \
~р ±-3 ± ’з’/V ”1 15 (2а)3 С)>
где знак минус соответствует возбуждению вертикально поляри-
зованным светом, а знак плюс — возбуждению неполяризован-
ным светом, N — число Авогадро, 2а — диаметр молекулы', с —
концентрация в молях на литр, a Rc — критическое расстояние
между параллельными диполями, на котором вероятность пере-
носа энергии равна вероятности испускания. Это уравнение экви-
валентно эмпирической формуле, установленной
и Феофиловым [67]:
Свешниковым
— ==— + Асъ,
Р Ро
где т — время жизни возбужденного состояния,
формула (59) аналогична соотношению между р
вращательной деполяризации [уравнения (55) и
(59)
Отметим, что
и т в случае
(56)].
Д. РАССЕЯНИЕ СВЕТА
При измерениях спектров флуоресценции необходимо прини-
мать во внимание рассеяние возбуждающего света, особенно
при низких концентрациях исследуемых веществ. Примеры даны
в последующих главах, здесь же мы обсудим механизмы рас-
сеяния света и рассмотрим характерные
света.
свойства рассеянного
так, что длина волны
длины волны, степень
1. Виды рассеяния света
Часть света рассеивается жидкостью
не изменяется, а часть — с изменениями
которых зависит от природы рассеивающей среды. От фотолю-
минесценции оба вида рассеяния резко отличаются тем, что при
рассеянии не происходит поглощения света и оно осуществля-
ОСНОВНЫЕ ПРИНЦИПЫ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ 65
ется за время порядка периода колебаний возбуждающего
света, т. е. в пределах примерно jj)-15 с__
Интенсивность и пространственное распределение света, рас-
сеянного суспензией «частиц», зависят от размера и формы ча-
стиц. Поэтому при обсуждении явлений рассеяния целесообразно
разбить их на три группы в зависимости от размеров частиц по
сравнению с длиной волны света, а именно:
1) релеевское рассеяние; размеры частиц много меньше дли-
ны волны;
2) тиндалевское рассеяние (рассеяние на коллоидных ча-
стицах); размеры частиц меньше длины волны («0,05—
0,2 мкм);
3) рассеяние на крупных частицах (больше 2 мкм). Во всех
трех случаях длина волны при рассеянии не изменяется. Рас-
сеяние с изменением длины волны (комбинационное рассеяние,
или эффект Рамана) рассматривается ниже.
2. Релеевское рассеяние
Когда световая волна распространяется в строго однородной
прозрачной среде, она индуцирует колебания этой среды. Воз-
никающие в результате этого вторичные волны полностью ком-
пенсируют друг друга по всем направлениям, за исключением
направления распространения возбуждающего света, и в этой
гипотетической среде не будет никакого рассеяния света.
В жидкости или газе, состоящих из отдельных молекул, всегда
существуют малые области, в которых показатель преломления
испытывает флуктуации. В этом случае вторичные волны уже
не полностью компенсируют друг друга и малая часть возбу-
ждающего света будет испускаться в направлениях, отличаю-
щихся от направления распространения возбуждающего света.
Это явление было рассмотрено Релеем. Предположив, что рас-
сеивающие центры представляют собой сферы радиуса г, что
этот радиус значительно меньше длины волны света и что поля-
ризуемость частиц одинакова во всех направлениях, Релей рас-
считал, что интенсивность рассеянного света пропорциональна
величине Чтобы выяснить пространственное распределение
и поляризацию рассеянного света, рассмотрим рис. 20. Сфери-
ческая «частица» находится в точке О, а падающий на нее пучок
света поляризован так, что его электрический вектор параллелен
линии ZZ', Под действием поля волны в частице возникают вы-
нужденные колебания, направленные вдоль ZZ'. При этом ча-
стица испускает свет, электрический вектор которого колеблется
в плоскости, содержащей и ось колебаний частицы. Геометри-
чески картина явления точно совпадает с обсуждавшейся в раз-
деле I, Г, 3, где рассматривалось испускание флуоресценции
группой молекул, ориентированных так, что оси переходов
Q 19Я)
66
ГЛАВА I
параллельны электрическому вектору возбуждающего света, в
результате чего испускаемый свет линейно поляризован, а его
интенсивность пропорциональна cos2 а (см. рис. 17). Помня, что
неполяризованный свет можно рассматривать как смесь двух
пучков, поляризованных под прямым углом друг к другу, не-
трудно рассчитать, что при возбуждении неполяризованным све-
том интенсивность рассеянного света будет пропорциональна
величине (l+cos2a). Именно такая зависимость и была полу-
чена Релеем.
Свет, рассеянный под прямыми углами к падающему свету,
будет полностью поляризован независимо от того, был или не
Рис. 20. Рассеяние света сферическими частицами.
был поляризован возбуждающий свет. Если возбуждающий
свет поляризован, то интенсивность рассеянного света макси-
мальна в направлении вдоль оси OY (рис. 17) и равна нулю
вдоль оси OZ. На практике рассеянный свет всегда частично
деполяризован. Степень деполяризации мала для одноатомных
газов (/±//ц = 0,005), но может быть довольно высокой (0,1)
для многоатомных газов [68], а для многих жидкостей при ком-
натной температуре может быть больше 0,1. Причины деполя-
ризации обсуждаются ниже.
Тот факт, что свет, рассеянный растворителем, сильно поля-
ризован, можно практически использовать в высокочувстви-
тельной спектрофлуориметрии, где рассеянный свет может соз-
давать неприятные помехи. Его интенсивность можно суще-
ственно снизить, если между флуоресцирующим раствором и
анализирующим монохроматором поместить поляризатор, ориен-
тированный так, что он пропускает лишь горизонтально поля-
ризованный свет. Если флуоресценция сильно деполяризована
вращательной релаксацией (см. раздел 1,Г, 6), то при таком
способе ее интенсивность уменьшится всего лишь в два раза.
3. Тиндалевское рассеяние
С увеличением размеров частиц сравнительно простая кар-
тина релеевского рассеяния начинает осложняться дифракцион-
ными явлениями. Однако рассеянный свет сильно поляризован
ОСНОВНЫЕ ПРИНЦИПЫ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ
67
и в случае более крупных, коллоидных частиц, чем и объяс-
няется явление Тиндаля-, если пучок вертикально поляризован-
ного 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 релеевского рассеяния: поле световой волны возбу-
ждает вынужденные колебания частиц, имеющих сферическую
форму. Если в системе присутствуют несферические частицы, то
Рис. 21. Рассеяние света несферическими частицами.
это приводит к деполяризации. На рис. 21 рассмотрена несфе-
рическая частица. Допустим, что направление наибольшей по-
ляризуемости АА' составляет некоторый угол с направлением
электрического вектора падающей волны. Тогда вынужденные
колебания происходят в направлении ВВ', промежуточном ме-
жду направлениями электрического вектора возбуждающего
света и оси АА'. Поляризация рассеянного света такова, что
электрический вектор колеблется в плоскости, содержащей ли-
нию ВВ\ и, вообще говоря, свет, рассеянный под прямым углом
к падающему пучку, будет поляризован только частично. Кар-
тина, следовательно, аналогична испусканию флуоресценции
случайно ориентированными молекулами (раздел I, Г, 4).
4. Рассеяние на крупных частицах
По мере того как размеры частиц становятся сравнимыми
с длиной волны света, распределение интенсивности рассеян-
ного света перестает быть симметричным и интенсивность ста-
новится наибольшей в направлении падающего пучка. Для не-
прозрачных частиц, размеры которых превышают длину волны
света, рассеяние сводится главным образом к отражению света,
причем его деполяризация значительна.
68
ГЛАВА I
5. Эффект Рамана (комбинационное рассеяние
света) [69, 70]
В разделе 1,Д, 2 было сказано, что релеевхжо^-ра^сёя-ние
обусловлено вынужденными колебанияйиэлектронов в моле-
кулах. Эти колебания происходят с частотой, равной частоте па-
дающего света, поэтому при рассеянии частота света не изме-
няется. Если бы ядра атомов в молекулах были неподвижны, то
релеевское рассеяние было бы единственно возможным типом
рассеяния. На самом же деле ядра способны к колебаниям, а
молекула в целом — к вращениям, и во время акта рассеяния
часть энергии пучка может перейти в энергию колебаний. Если
частота данного колебания равна vo, перешедшая энергия будет
равна hvo, следовательно энергия рассеянного фотона h(y — vo).
Таким образом, частота части рассеянного света будет отли-
чаться от v. Далее, если облучаемая молекула находится в коле-
бательно-возбужденном состоянии, то в акте рассеяния света
она может отдать колебательную энергию 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 в рамках
волновой теории света. Индуцированный дипольный момент Р
пропорционален напряженности электрического поля, т. е. вели-
чине электрического вектора волны Е:
Р = аЕ, (60)
где а — поляризуемость молекулы. Напряженность Е колеблется
с частотой v:
Е = Eq cos (2л vf), (61)
и, следовательно,
Р = clEq cos (2nvf). (62)
Этот осциллирующий диполь генерирует рассеянный свет ча-
стоты v. Если теперь ядра совершают колебания, то поляри-
зуемость тоже колеблется с частотой v0. т. е.
а = а0 + (Xi cos (2nv0f). (63)
Таким образом, рассеянный свет модулируется с частотой коле-
баний поляризуемости, результатом чего является суперпозиция
трех дипольных моментов, осциллирующих с частотами v— vo,
v и v + vo и обусловливающих испускание релеевской линии и
двух рамановских линий. Из теории следует, что интенсивность
испускания при частоте v + vo меньше, чем при частоте v — vo,
а при больших значениях v0 интенсивность испускания при ча-
стоте v + vo чрезвычайно мала.
ОСНОВНЫЕ ПРИНЦИПЫ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ
69
6. Поляризация рамановского испускания
Рамановское испускание всегда в известной мере поляри-
зовано, а некоторым колебаниям соответствует весьма высокая
степень поляризации. Качественно понятно, что если молекула
совершает полносимметричное колебание (например, «дыхатель-
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 раман-
спектроскопии состояние поляризации принято характеризовать
степенью деполяризации д:
б = /±/7|1 (64)
(см. раздел I, Г). Если колебания не полностью симметричны,
то соответствующие им рамановские полосы всегда имеют сте-
пень деполяризации 3Д для вертикально поляризованного возбу-
ждющего света и 6/7 для неполяризованного возбуждающего
света; для полностью симметричных колебаний молекул с не-
равными осями ничего определенного сказать нельзя. Когда оси
примерно одинаковы, 6 приблизительно равно нулю, т. е. испу-
скание почти полностью поляризовано. Чем более оси неодина-
ковы, тем больше величина 6 (опять же для полносимметричного
колебания) и может приближаться к предельному значению 3А
(или 6/7 для неполяризованного возбуждающего света).
Полосы рамановского рассеяния обычных растворителей мо-
гут мешать при работе с высокочувствительным спектрофлуо-
риметром. Если для этих полос значения 6 малы, то их интен-
сивность можно уменьшить введением на пути луча поляриза-
тора, пропускающего только горизонтально поляризованный
свет.
7. Рамановское испускание растворителей
Влияние рамановского испускания на результаты измерений
слабой флуоресценции исследовали Эйзенбранд и Пихер [71].
Они зарегистрировали фотографическим методом главную ра-
мановскую полосу воды при 0,342 мкм"1 и две полосы бензола —
при 0,993 и 0,306 мкм-1. Позднее Эйзенбранд [72] сравнил инте-
гральные интенсивности рамановской полосы флуоресценции
разбавленного раствора оксипирентрисульфоната натрия при
возбуждении ртутной линией 365 нм. Он установил, что интен-
сивность рамановской полосы равна интенсивности флуоресцен-
ции при концентрации флуоресцирующего вещества около
10~7 * 9г/мл. Зная коэффициент погашения последнего при 365 нм,
он рассчитал, что в виде рамановского рассеяния испускается
0,0023% возбуждающего света.
ГЛАВА I
Паркер [73], использовав фотоэлектрический спектрофлуори-
метр, измерил рамановские полосы пяти растворителей, часто
применяемых в спектрофлуориметрии. Его 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-
нового числа возбуждающего
света они были сдвинуты все-
гда на одно и то же расстоя-
ние (в шкале волновых чисел)
от линии возбуждения (ср.
столбцы 2—5 табл. 4). В
табл. 4 приведено по одной или
по две наиболее важных из
рамановских полос раствори-
телей.
У всех растворителей, мо-
лекулы которых содержат ато-
мы водорода, имеется полоса
в области 0,3 мкм*1, а у эта-
нола — дополнительный пере-
гиб с длинноволновой сторо-
ны; эти полосы обусловлены
колебаниями связей С—Н или
О—Н. В спектре дейтерирован-
ной воды сдвиг значительно
меньше, чем в спектре обыч-
ной воды. Самая узкая и наи*
Р и с. 22. Рамановские спектры ра- более интенсивная полоса у
створителей [73]. циклогексана и расположена
она примерно там же, что и
у этанола. И у циклогексана,
и у этанола имеется в области
А — вода; Б — этанол; В — циклогексан;
Г — четыреххлористый углерод* Д — хлоро-
форм. Возбуждение светом 313 нм (а, бив)
и 365 нм (г, д, е).
меньших частот дополнитель-
ный двойной пик (в табл. 4 приведены более интенсивные его
компоненты). У четыреххлористого углерода благодаря отсут-
ствию в нем атомов водорода нет заметных полос в области
больших частот, а его главная полоса расположена на расстоя^
нии всего лишь 0,07 мкм-1 от релеевской полосы. Такую же по-
лосу имеет и хлороформ, но у него есть полоса около 0,3 мкм-1,
обусловленная атомом водорода..
ОСНОВНЫЕ ПРИНЦИПЫ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ
71
Таблица 4
Рамановские полосы некоторых растворителей [73]
Растворитель Сдвиг волнового числа (в мкм *) при возбуждении светом с длиной волны Среднее значение
248 нм 313 нм 365 нм 436 нм
Вода 0,339 0,339 0,340 0,335 0,338
Этанол 0,292 0,292 0,293 0,290 0,292
0,143 0,143 0,141 0,134 0,140
Циклогексан 0,287 0,287 0,291 0,285 0,288
0,137 0,138 0,135 0,132 0,136
Четыреххлористый — 0,073 0,079 0,071 0,074
углерод Хлороформ — 0,073 0,073 0,065 0,070
— 0,301 0,301 0,304 0,302
Роль рамановских полос при измерениях спектров испуска-
ния и возбуждения слабой флуоресценции мы обсудим в раз-
деле V, В, здесь же упомянем лишь о возможности применения
поляризаторов с целью уменьшения влияния этих полос. В ра-
боте [74] были получены степени деполяризации главных рама-
новских полос четырех растворителей: воды 0,23, этанола 0,23,
хлороформа 0,28 и циклогексана 0,31. Эти значения гораздо
меньше 6/у, и авторы сделали вывод о том, что упомянутые
полосы обусловлены полносимметричными колебаниями. Если
на пути пучка флуоресценции поместить поляризатор, то интен-
сивность рамановских полос понизится в 2—3 раза сильнее, чем
интенсивность полностью деполяризованной флуоресценции.
Глава II
КИНЕТИКА ФОТОЛЮМИНЕСЦЕНЦИИ
А. СКОРОСТИ ПЕРЕХОДОВ
На рис. 23 показана упрощенная схема синглетных и трип-
летных уровней и переходов между ними. Колебательные уров-
ни для простоты опущены. Сплошными стрелками обозначены
излучательные переходы, а пунктирными — безызлучательные.
Около каждой стрелки указаны обозначение перехода данного
типа (см. ниже) и порядок ве-

I Ъ/Л/ I1
„ ♦ / V I
73 " 1 г 1 1 *1 г- I
1 \ т ' р\ ~.|
\ (От \ (От \
' до \ до \
110*)\ 10'2)\ |
1 <| it
Рис. 23. Схема уровней энергии.
Даны обозначения переходов и указаны
типичные значения обратных скоростей
переходов.
личины его характеристиче-
ского времени (в секундах).
Для излучательных процес-
сов характерны следующие
времена. Цоглощеняе света
(а) происходит за время по-
рядка одного колебания све-
товой волны, т. е. около^10-15 с.
Флуоресценция (/) из самого
нижнего возбужденного син-
глета занимает от 10~9 с_(для
разрешенного перехода, на-
пример л*->л) до 10~6 с (для
менее вероятного лЛ и-пере-
хода). Излучательные време-
на триплетных состояний (пе-
реход р) лежат в пределах от
10-2 до 10h2c.
Что касается безызлуча-
тельных процессов, то для
ренняя конверсия (п')
большинства молекул внут-
из верхних возбужденных состоянии~как
в системе синглетов, так и в системе триплетов происходит очень
быстро — за время порядка 10“12с,--и так же быстро идет со-
путствующая ей потеря колебательной энергии. Внутреннюю
конверсию (м) с нижнего возбужденного синглета в основное
состояние некоторые авторы считают несущественной для многих
молекул. Поскольку, однако, это предположение строго не дока-
КИНЕТИКА ФОТОЛЮМИНЕСЦЕНЦИИ
73
зано, на рис. 23 показан и этот процесс; естественно, он будет за-
метен только в том случае, если его скорость сравнима со ско-
ростью флуоресценции и интеркомбинационной конверсии.
Интеркомбинационная конверсия (g и g') изображена для
простоты так, как будто бы она идет сразу на нижний колеба-
тельный уровень соответствующего триплетного состояния. На
самом же деле сначала осуществляется собственно интерком-
бинационная конверсия на верхний колебательный уровень
триплетного состояния, а затем, уже в этом состоянии, происхо-
дит быстрая потеря колебательной энергии (см. рис. 12) ..ЦИнтерн
комбинационная конверсия из нижнего возбужденного синглета
(g) часто занимает время порядка излучательного времени жиз-
ни флуоресценции (10~9 с). Доказательства существования ип-
теркомбинационной конверсии из высших возбужденных состоя-
ний (§') пока немногочисленны, и пренебречь этим процессом
нельзя только в тех случаях, если он успешно конкурирует
с безызлучательной конверсией, т. е. занимает время порядка
10~12с. Что касается обратных интеркомбинаиионных jnepexo-
дов — из триплетной системы в синглетную, то конверсия в ос-
новное состояние “(/nf часто происходйт медленно (10“4—102,с
в зависимости от условий). Измерить ее скорость, однако, весь-
ма непросто, так как ее трудно отделить от процессов тушения.
Из других процессов интеркомбинационной конверсии мы будем
иметь дело лишь с переходом с нижнего триплетного уровня на
первцй возбужденный синглетный уровень. Этот переход ответ-
ствен за явление замедленной флуоресценции типа Е (см. раз-
дел I, В, 4), но идет он только при не очень большой разности
энергий, когда возможна термическая активация триплетных
молекул на колебательный уровень, равный по энергии ниж-
нему уровню возбужденного синглетного состояния. Символ е на
рис. 23 относится к брутто-процессу термической активации, за
которой следует интеркомбинационная конверсия-
За исключением поглощения света, все рассмотренные выше
процессы являются реакциями первого порядка с константами
скорости, обратными приведенным на рис. 23 временам жизни.
Времена жизни нижнего возбужденного синглета и нижнего три-
плета достаточно велики для того, чтобы при встрече с другими
молекулами произошла химическая реакция или дезактивация
(тушение люминесценции). Эти процессы, естественно, будут
иметь второй порядок, однако, поскольку концентрация туша-
щего вещества часто гораздо выше концентрации возбужденных
молекул, их можно характеризовать константами скорости пер-
вого порядка kQ [Q1 или [б/], гд^ kQ и бимолекулярные
константы скорости, a [Q] и [7]—концентрации тушащих моле-
кул. С внутренней конверсией из верхних состояний могут кон-
курировать лишь очень быстрые химические превращения этих
74
ГЛАВА II
состояний; они сводятся, вероятно, только к диссоциации моле-
кул, протекающей за время одного или нескольких колебаний.
Б. ФЛУОРЕСЦЕНЦИЯ
1. Эффективность и время жизни флуоресценции
Рассмотрим снова жидкий раствор, освещаемый пучком воз-
буждающего света постоянной интенсивности. Если при данной
толщине слоя оптическая плотность достаточно мала, то ско-
рость поглощения света 1а будет постоянной по всему объему:
/а = 23ООес/о, (65)
где 1а измеряется в единицах эйнштейн/(л-с), а /0 — эйнштейн/
/(см2-с) [см. уравнения (17) — (21)]. По истечении времени, до-
статочно долгого по сравнению с временем жизни флуоресценции,
устанавливается стационарное состояние, в котором скорость
образования синглет-возбужденных молекул (Si) уравновеши-
вается скоростью их исчезновения в различных процессах, пока-
занных на рис. 23. Если в верхних синглетных возбужденных
состояниях не идут ни фотохимические реакции, ни интеркомби-
национная конверсия, то скорость попадания возбужденных мо-
лекул в состояние Si оказывается равной скорости поглощения
света /а. Обозначив концентрацию синглет-возбужденных моле-
кул в стационарном состоянии ч^рез [S-i], мы можем записать
7а = (kf + kn 2 kQ [Q ]) [SJ, (66)
где k — константы скорости первого порядка процессов, пока-
занных на рис. 23, a S6q[Q][Si] — сумма скоростей исчезновения
синглет-возбужденных молекул при тушении различными туши-
телями Q. Внутреннюю конверсию (с константой kn) мы можем
рассматривать просто как один из видов тушения — тушения мо-
лекулами растворителя. С другой стороны, если нам нужно ис-
следовать тушение каким-либо одним тушителем и концентрации
других тушителей не изменяются, то влияние последних (член
kQ [Q]) мы можем включить в константу скорости первого по-
рядка kn и записать уравнение (66) в следующей упрощенной
форме:
fa — (kf + + kq [Q]) [SJ. (67)
Полная скорость испускания флуоресценции Q равна fy[SJ,
и, следовательно [см. уравнение (6)],
kf [SJ = Q = Ia<ff = (kf + kn + kg + kQ [Q]) [5,1 q>f, (68)
где Ф/ — эффективность флуоресценции. Следовательно,
Ф/ = kf!(kf + + kg-\- kq [QJ). (69)
КйнётйкА Фотолюминесценций
75
После выключения возбуждающего света флуоресценция зату-
хает по экспоненциальному закону со временем жизни т, кото-
рое определяется следующим уравнением:
1/т = Щ + kn + kg + kq [Q]. (70)
Поскольку излучательное время жизни тг равно 1/kf, получаем
<Pf = т/тг. (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).
2. Уравнение Штерна — Фольмера и тушение
флуоресценции
Из уравнения (69) получается следующее выражение для
эффективности флуоресценции (<р£) в отсутствие тушителя:
+*»+*«)> <72)
и, следовательно,
<P°/<Pf = 1 + kQ [Q]/(kf + kn + kg) = 1 + К [Q] (73)
или, если т0 — время жизни в отсутствие тушителя
1/То — kf + kn + (74)
то
^f-\ = k^[Q\ = K[Q\. (75)
Таким образом, если измеряется флуоресценция нескольких рас-
творов, отличающихся концентрацией тушителя, и отсчет на
шкале прибора R пропорционален интенсивности флуоресцен-
ции, то зависимость величины (RQ/R—1) от концентрации ту-
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-
ния Штерна — Фольмера.
Тушителем может служить и само флуоресцирующее веще-
ство, т. е. его возбужденные молекулы могут тушиться его же
молекулами в основном состоянии. Явления, связанные с таким
самотушением, обсуждаются в разделе IV, Г.
Иногда тушение флуоресценции приводит к увеличению чис-
ла триплетных молекул (см. раздел IV, А, 4), однако за недо-
статком информации пока еще трудно судить о том, насколько
общий характер имеет эта обратная связь между тушениехМ
флуоресценции и образованием триплетов.
76
ГЛАВА II
Следует отметить, что выполнимость уравнения Штерна —
Фольмера не может служить доказательством того, что тушение
флуоресценции идет по механизму столкновений. Аналогичное
уравнение получается и тогда, когда добавляемое вещество Q
образует с флуоресцирующей молекулой В нефлуоресцирующий
продукт BQ, находящийся в равновесии с В и Q:
B + Q^tBQ. (76)
Допустим, что большим избытком вещества Q в комплекс BQ
связывается доля а молекул введенного в раствор вещества В.
Если вещество Q само по себе не тушит возбужденное состояние
соединения В, a Q и BQ не служат внутренними фильтрами (см.
раздел 111,3), то наблюдаемая интенсивность флуоресценции F
будет всегда пропорциональна концентрации несвязанного В,
т. е.
F = k(l—a)[B] (77)
и
FQ = k[B]. (78)
Следовательно,
= = ^[Q]> (79)
где Кс — константа равновесия образования комплекса. Таким
образом, тушение также следует уравнению Штерна — Фоль-
мера, но константа тушения представляет собой константу рав-
новесия образования комплекса.
3. Процессы, контролируемые диффузией
В растворах бимолекулярные реакции протекают путем
«встреч» между реагирующими молекулами. Молекулы раство-
рителя играют роль «клетки», препятствующей разделению
реагентов, поэтому при каждой встрече осуществляется сотня
действительных столкновений между ними. Если энергия акти-
вации ДЕ велика, то наблюдаемая скорость реакции выража-
ется обычным кинетическим уравнением, т. е. произведением
скорости столкновений на «стерический множитель» и на экспо-
ненциальный больцмановский член ехр (—AE/RT). Если же
энергия активации очень мала, реакция будет происходить при
каждой встрече и ее скорость будет определяться исключительно
скоростью, с которой реагенты могут диффундировать друг
к другу. В идеальном случае крупных сферических молекул би-
молекулярная константа скорости (&с) процесса, контролируе-
мого диффузией, зависит только от температуры и вязкости рас-
творителя в соответствии со следующим уравнением [76]:
^ = 8/?Т/3000т], (80)
где т)—вязкость растворителя, выраженная в пуазах.
КИНЕТИКА ФОТОЛЮМИНЕСЦЕНЦИИ
77
Таблица 5
Константы скорости, контролируемые диффузией
(kc == 8RT /3000т])
Растворитель Температура, °C л. пуаз kC' 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- 1010
к-Гексан +20 0,0032 2,0 • 1010
Циклогексан +20 0,0095 6,9 • 109
Бензол +20 0,0065 1,0- 1010
+60 0,0039 1,9- 1010
Глицерин —42 6,7- 10' 7,6* 102
0 121 5,0* 105
+20 15 4,3- 106
+30 6,3 1,1 • 107
В табл. 5 приведены рассчитанные по уравнению (80) кон-
станты скорости kc для ряда растворителей. На рис. 24 показана
зависимость от температуры константы kc для этанола, рассчи-
танной из данных о его вяз-
кости [77]. Эта зависимость
практически линейна в коор- Температура,°C
динатах 1gйс—1/Т, т. е. ско- В
рость ведет себя так, как гти—i—i—I—i-----i----1----r
будто бы существует энер-
гия активации, равная в /ZZ,Z?Z Z
случае этанола примерно _
3,7 ккал/моль. _
Хотя в данной книге мы
часто будем упоминать о ^9,0-
скорости встреч и использо- - Лх
вать константы скорости, рас- "
считанные по формуле (80), " ”
применять ее следует с осто- ”
рожностью. Эта формула вы- । । । । । । । f t t t i i i*
ведена [78, 79] из уравнения 3,0 4,0 5,0
Смолуховского [80] t/T-103
^=4лолв^(Дл + Дв). 10з
(81)
Рис. 24. Диффузионная константа ско-
рости в этаноле [рассчитана по урав-
нению (80)].
78
ГЛАВА И
и уравнения Стокса — Эйнштейна [81,82]
Da = йТ/6лглц (82)
в предположении, что
&АВ = г А + г в = 2га, (83)
где оав — расстояние встречи, a DA и DB — коэффициенты диф-
фузии реагентов.
Осборн и Портер [83] обратили внимание на то, что, если
коэффициент трения скольжения равен нулю, молекулы при кон-
такте с растворителем могут «проскальзывать». Вместо фор-
мулы (80) они получили следующее уравнение:
£' = 8/?Т/2000т]. (84)
Осборн и Портер измеряли константы скорости тушения трипле-
тов нафталина а-иоднафталином в различных растворителях.
В пропандиоле-1,2, глицерине и смеси жидкого парафина с
н-гексаном (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, кото-
рые оказывают большое сопротивление движению стальных ша-
риков, используемых при измерениях вязкости, и гораздо мень-
шее сопротивление движению молекул, размеры которых малы
по сравнению с размерами цепей. По этой же причине полу-
чаются высокие скорости тушения кйслородрм в пропандио-
ле-1,2. Интересно, что при больших концентрациях кислорода
(соответствующих атмосферному давлению воздуха) отношение
измеренной константы скорости к рассчитанной росло с увели-
чением вязкости и в очень вязких растворах достигло 130.
Осборн и Портер приписали это тушению на расстояниях, пре-
вышающих 5А. Они предположили, что для каждого расстояния
между триплетом и тушителем имеется некоторая вероятность
тушения. Она быстро падает при увеличении расстояния, так
что при низких вязкостях тушение на расстояниях более ~5 А
не вносит ощутимого вклада в скорость тушения. При высоких
вязкостях время диффузии молекул друг к другу велико, и, если
даже вероятность тушения за единицу времени мала, оно может
внести заметный вклад в суммарную скорость, т. е. эффективное
расстояние олв в уравнении (81) возрастает. Аналогичное объяс-
нение использовали при обсуждении триплет-триплегного взаи-
модействия 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).
КИНЕТИКА ФОТОЛЮМИНЕСЦЕНЦИИ
79
При использовании диффузионных констант скорости следует
иметь в виду еще одно обстоятельство. Если возбужденные со-
стояния системы первоначально заселяются при случайном рас-
пределении взаимодействующих молекул, то некоторые пары
молекул окажутся расположенными близко друг к другу и быст-
ро прореагируют. Следовательно, вначале измеряемая «кон-
станта» скорости будет высокой, а затем станет снижаться по
мере того, как будут расходоваться такие тесно расположенные
«пары». Наконец, установится стационарное состояние, в кото-
ром скорость реаквди будет уравновешиваться скоростью диф-
фузии реагирующих частиц друг к другу. Диффузионная кон-
станта скорости [уравнение (80)] соответствует именно такому
стационарному состоянию. В жидких растворах для установле-
ния стационарного состояния может потребоваться значитель-
ное время, напримерДЦН_-е7<1оэтому использование диффузион-
ной константы для быстрой бимолекулярной реакции не является
строгим, если эта реакция конкурирует с быстрым процессОлМ
первого порядка (например, испусканием флуоресценции с кон-
стантой скорости 108 с-1)* Математическую трактовку кинетики
переходных процессов, в том числе тушения флуоресценции,
можно найти в работе Нойеса [87].
Несмотря на эти осложнения, уравнение (80) очень удобно
для приближенных расчетов, поскольку многие процессы, играю-
щие важную роль в-фотохимии и фотолюминесценции раство-
ров, лимитируются диффузией. Уравнение (80) можно исполь-
зовать для оценки вецхнего лредела скорости бимолекулярной
реакции, из которого можно получить предельные значения дру-
гих параметров. Ограничимся лишь одним примером. Часто,
например в аналитических приложениях, необходимо знать по
порядку величины те значения концентраций растворенного ве-
щества, при которых станет ощутимым тушение флуоресценции.
Так, для 50%-ного тушения (ф°/ф^ = 2), приняв, что тушение кон-
тролируется диффузией, т. е. kQ = kc, из уравнения (75) полу-
чаем
Vo(Q]- 1. (85)
Если флуоресцирующее вещество обладает интенсивной первой
полосой поглощения (тг~ 10“8с) и сильной флуоресценцией
(т0 « тг), то для водного раствора при 20° С находим
[Q]50% ~ 0,ОШ. (86)
Для 10%-ного тушения (ф^/ф^ = 1»11)
Vo[Q]-O,ll (87)
и
[Qll0« - 0,001 ти. (88)
80
ГЛАВА II
Таким образом, для хорошо разрешенных переходов бимолеку-
лярное тушение можно уменьшить до незначительной величины
просты]уГ^а^атаёнйём^аствора до "тёхТюр, пока концентрации
всех растворенных веществ не станут меньше 10~3 М. Конечно,
не следует ожидать, что все вещества при концентрациях
>10-3 М. будут тушить флуоресценцию; многие вещества не ту-
шат ее даже при гораздо больших концентрациях. Растворенное
вещество может снижать интенсивность флуоресценции и при
меньших концентрациях, но уже в силу совсем иных причин,
например из-за реакции с невозбужденными молекулами флуо-
ресцирующего соединения или в результате эффекта внутреннего
фильтра (см. раздел III, 3). Эти эффекты мы не будем называть
тушением, понимая под последним только такие процессы, ко-
торые уменьшают действительную квантовую эффективность лю-
минесценции.
4. Флуоресценция из высших возбужденных
состояний
Выше говорилось о том, что испускание флуоресценции все-
гда происходит с нижних колебательных уровней первого воз-
бужденного синглетного состояния независимо от того, на ка-
кой уровень молекула попадает в результате поглощения света
(раздел I, 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 излучательными време-
нами жизни, рассчитанными по уравнению (27). Единственными
соединениями, для которых наблюдалась и была доказана флуо-
ресценция из более высокого возбужденного состояния, являются
азулен (рис. 25) и некоторые его производные [88, 89]. Ультра-
фиолетовая полоса поглощения азулена подобна полосе погло-
щения ароматических углеводородов, но, кроме нее, у азулена
есть слабая полоса поглощения в красной области. Возбуждение
во второй, т. е. ультрафиолетовой, полосе поглощения приводит
к испусканию полосы флуоресценции в области 2,5—2,8 мкм-1,
близкой к зеркальному отражению второй полосы поглощения
(рис. 25). Несмотря на ряд попыток [88, 89], испускание, отве-
чающее первой полосе поглощения, не удалось зарегистрировать
даже при низкой температуре. Одной из причин этого может
быть относительно низкая чувствительность приемников света
ближней инфракрасной области, другой — малая вероятность
длинноволнового перехода и успешная конкуренция с ним ту-
шащих процессов. Высказывались предположения о том, что
красная полоса поглощения обусловлена другой частицей, на-
пример таутомером, а не самим азуленом, но обосновать это
экспериментально пока не удалось. Тот факт, что испускание
КИНЕТИКА ФОТОЛЮМИНЕСЦЕНЦИИ
81
из второго возбужденного состояния азулена достаточно интен-
сивно, показывает, что скорость внутренней конверсии из этого
состояния в более низкое возбужденное состояние сравнительно
мала. Были предложены различные толкования этой особенно-
сти; одно из них сводится
поверхностей потенциаль-
ной энергии затруднена
из-за большой разности
энергий двух состояний.
Коэффициенты пога-
шения для переходов в
верхние возбужденные со-
стояния во многих слу-
чаях весьма высоки. По-
этому излучательные вре-
мена жизни должны быть
малы и, если возбужден-
ные молекулы не диссо-
циируют, вероятность ис-
пускания должна быть
конечной. Квантовую эф-
фективность такого испу-
скания можно оценить,
используя приблизитель-
ное значение kn^ приве-
денное на рис. 23. Рас-
смотрим в качестве при-
мера бензофенон, спектр
поглощения которого по-
казан на рис. 11. Излуча-
тельное время жизни, рас-
к тому, что возможность пересечения
Рис. 25. Спектр поглощения (/) и спектр
флуоресценции [2; возбуждение светом
3,19 мкм-1 (313 нм)] азулена в этаноле
при 20° С.
считанное из интеграль-
ного поглощения полосы с максимумом при 4,0 мкм-1, составляет
Ю-9—10"8с. Если мы предположим, что действительное время
жизни этого состояния порядка 10-12 с, то можно ожидать появ-
ления испускания в области 3,5 мкм-1 с квантовой эффектив-
ностью ф/ 10~4—10~3. Такое испускание можно без труда зареги-
стрировать на хорошем приборе. На опыте [90] при возбуждении
светом 250 нм бензофенона в циклогексане (оптическая плот-
ность 0,2) было обнаружено слабое испускание в области
3,6—2,9 мкм”1 с квантовой эффективностью, не превышающей
3-10~5. Это означает, что время жизни верхнего состояния
меньше 3-10~13 с. Расчет этот основан на предположении, что
скорость каскадного перехода всех молекул, возбужденных
в верхние колебательные состояния 32, на самый нижний ко-
лебательный уровень (процессы 4, рис. 26) гораздо больше,
82
ГЛАВА II
чем скорость внутренней конверсии из последнего (процесс В).
В действительности же различие между этими скоростями, по-
видимому, не слишком велико, и, кроме испускания из нижнего
колебательного состояния, необходимо принимать во внимание
также и флуоресценцию с верхних колебательных уровней со-
стояния S2 (в том числе и резонансное излучение с того уровня,
на который молекула попала в ре-
зультате поглощения света). В слу-
чае бензофенона упомянутая часть
флуоресценции должна лежать в об-
ласти 4,0—3,6 мкм-1, но заметить
ее невозможно из-за наложения ин-
тенсивного рамановского рассея-
ния растворителя, уже обсуждав-
шегося выше. Следовательно, сум-
марная эффективность флуоресцен-
ции из высокого электронно-воз-
бужденного состояния могла быть
больше полученного на опыте зна-
чения 3-10"* 5.
К различным колеба-
тельным уровням
основного состояния
Истолкование результатов экс-
периментов этого рода затрудняется
еще и возможным влиянием флуо-
ресцирующих примесей или продук-
тов фоторазложения. Можно ска-
зать, что при изучении слабого ис-
пускания из верхних синглетных со-
Рис. 26. Флуоресценция из верх- стояний главная трудность состоит
них возбужденных^ синглетных не в достижении ВЫСОКОЙ чувСТВИ-
состоянии.
тельности прибора, а в доказатель-
стве того, что наблюдаемое ис-
пускание обусловлено именно S2—► So-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
флуоресценция принадлежала примесям [92].
5. Зависимость быстрой флуоресценции от температуры
В отсутствие тушителей эффективность флуоресценции (фу)
определяется относительными скоростями излучательного про-
цесса (fey), с одной стороны, и безызлучательных процессов ин-
теркомбинационной (kg) и внутренней (kn) конверсии — с дру-
гой [см. уравнение (69)]. Можно ожидать, что скорость излу-
КИНЕТИКА ФОТОЛЮМИНЕСЦЕНЦИИ
83
нательного процесса не зависит от температуры, поэтому изме-
нения ф/ отражают изменения kg и kn. Последние должны уве-
личиваться с ростом температуры, поскольку при этом на верх-
ние колебательные уровни состояния Si попадает все большая
часть молекул и вероятность перехода через область пересече-
ния потенциальных поверхностей возрастает. При понижении
температуры обе скорости должны стремиться к предельным
значениям, соответствующим интеркомбинационной или внут-
ренней конверсии с самого нижнего колебательного уровня Sb
Следовательно, если при комнатной температуре эффективность
флуоресценции близка к единице, то она лишь незначительно
изменится при понижении температуры, хотя может заметно
уменьшиться при повышении температуры. Слабо флуоресци-
рующее вещество может стать при низкой температуре сильно
флуоресцирующим. Влияние тёмпературы на эффективность
флуоресценции различных ароматических соединений было изу-
чено Боуэном и сотр. [23, 24]. Они установили, что флуоресцен-
ция, как правило, ослабляется с ростом температуры, хотя для
некоторых веществ этот эффект мал. В согласии с приведен-
ными выше качественными выводами при низких температурах
достигается предельное значение. Связь выхода флуоресценции
с температурой можно представить в виде следующего урав-
нения:
l/<pf _ 1 = k{ exp (- E/RT) + k2. (89)
Для жестких молекул (таких, как антрацен) изменение вяз-
кости растворителя очень слабо влияет на значения Е, однако
в случае гибких молекул, например молекул ди-9-антрилэтана,
Е значительно изменяется, и эти изменения оказались близки
к величине ДЕ, характеризующей влияние температуры на те-
кучесть растворителя. Боуэн и Симан предположили, что воз-
бужденные молекулы этого типа могут терять энергию в ре-
зультате относительного термодиффузионного движения двух
больших колец, связанных гибкой цепью (т. е. в результате
«внутримолекулярного ударного тушения»).
Позднее Лим, Лапоза и Ю [20] на примере 9- и 9, 10-заме-
шенных антраценов провели интересное исследование влияния
температуры на эффективность флуоресценции и на относи-
тельную эффективность образования триплетов. Зависимость
эффективности флуоресценции от температуры следовала урав-
нению (89) при k2 = 0, а относительная эффективность образо-
вания триплетов, выраженная через интенсивность триплет-
триплетного поглощения (Д), зависела от температуры следую-
щим образом:
1/А - р = Л exp (+ E/RT). (90)
84
ГЛАВА II
Обеим зависимостям соответствовали одни и те же значения Е,
что указывает на определяющую роль интеркомбинационной
конверсии Si -> 7\ в зависимости выхода флуоресценции от тем-
пературы. Авторы пришли к выводу, что для исследованных
соединений внутренней конверсией Si —>S0 можно пренебречь,
и предположили, что брутто-процесс Si -> Т\ начинается с интер-
комбинационной конверсии в состояние Т2, расположенное не-
много выше состояния Si.
Обсуждавшиеся до сих пор температурные эффекты отно-
сились к тем случаям, когда в'растворе отсутствуют тушители,
т. е. когда деградация энергии возбужденных синглетных со-
стояний происходит только при соударениях с «инертными»
молекулами растворителя. Если в раствор добавлен тушитель,
то его влияние описывается уравнением (73) Штерна — Фоль-
мера, и в этом случае появится дополнительный температурный
эффект, обусловленный влиянием температуры на вязкость и,
следовательно, на скорость встреч флуоресцирующих молекул
с молекулами тушителя. В результате этого влияния эффектив-
ность флуоресценции будет уменьшаться с ростом температуры.
6. Перенос энергии между синглетными состояниями
При внутренней конверсии энергия возбуждения передается
окружающей среде и превращается в тепло. Строго говоря,
этот процесс следовало бы называть переносом энергии. В дан-
ном разделе, однако, мы будем иметь дело с такими процес-
сами переноса энергии, в результате которых переданная энер-
гия превращается в энергию электронного 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 поглощению (реабсорб-
ции) этого света молекулой акцептора. Такой процесс будет
иметь место, если cneKip поглощения акцептора перекрывает
область испускания донора, а среда прозрачна для этой об-
ласти спектра. Указанный так называемый «тривиальный» про-
цесс не представляет теоретического интереса, но часто приво-
дит к практическим трудностям или ложным результатам при
* Различные аспекты переноса энергии электронного возбуждения в рас-
творах подробно рассмотрены в превосходном обзоре Ламолы (Lamola А. А.,
Electronic Energy Transfer in Solution: Theory and Applications, Chap. II.
Technique of Organic Chemistry, Vol. XIV. Energy Transfer and Organic Pho-
tochemistry, ed by P. A. Leermakers, A. Weissberger, Interscience Publishers,
New York, 1969, p. 17). — Прим. ped.
КИНЕТИКА ФОТОЛЮМИНЕСЦЕНЦИИ
85
измерениях спектров как быстрой, так и замедленной флуорес-
ценции (см. гл. III).
Существование переноса энергии второго типа было пока-
зано в экспериментах по измерению поляризации флуоресценции
растворов красителей; при этом оказалось, что энергия возбуж-
дения может передаваться на расстоянии порядка 50 А, что зна-
чительно превышает диаметр соударения. Если разбавленный
раствор флуоресцирующего красителя в сильно вязкой среде
освещают поляризованным светом, то испускаемая флуоресцен-
ция сильно поляризована (см. раздел I, Г, 4). Однако при увели-
чении концентрации степень поляризации флуоресценции резко
падает [93, 94]; например, при концентрации флуоресцеина по-
рядка IO-3 М она составляет половину максимального значения
[67]. Эту концентрационную деполяризацию можно объяснить
только" "тем,'Что излучателями флуоресценции становятся моле-
кулы, отличающиеся от первично возбужденных. Эффект не уда-
лось объяснить тривиальным механизмом испускания и реаб-
сорбции. Перрен [95, 96] предположил, что перенос энергии
может происходить в результате прямого электродинамического
взаимодействия между возбужденной и невозбужденной молеку-
лами, которые рассматриваются как высокочастотные осцилля-
торы. Количественная теория переноса этого типа была развита
Фёрстером [97, 98] *. В общем виде процесс можно записать сле-
дующей формулой:
1Д* + 1Л->1Д + 1Л*. (91)
Условия, благоприятствующие переносу энергии: а) большое
перекрывание первой полосы поглощения "молекулы акцептора
(Д) с полосой испускания молекулы донора (D) и б) высокий
выход флуоресценции молекулы донора. Роль донора и акцеп-
тора могут играть молекулы одного и того же вещества при
условии, что его спектры поглощения и флуоресценции хорошо
перекрываются. Эффективность межмолекулярного диполь-ди-
польного перехода можно характеризовать критическим расстоя-
нием Rc — расстоянием между донором и акцептором, на ко-
тором вероятность переноса равна вероятности спонтанной
* Для эффективного взаимодействия осцилляторов их собственные часто-
ты должны совпадать. Колебания в акцепторе индуцируются колебаниями
донора. Поэтому данный вид переноса энергии часто называют индуктивно-
резонансным. Большой вклад в развитие теории индуктивно-резонансного пе-
реноса энергии внесли работы С. И. Вавилова (см. «Микроструктура света»,
Изд-во АН СССР, М., 1950), М. Д. Галанина [Труды физ. ин-та АН СССР,
12, 3 (I960)] и М. Д. Галанина и И. М. Франка [ЖЭТФ, 21, 114 (1951)]. —
Прим. ред.
86
ГЛАВА II
дезактивации. Это расстояние можно рассчитать по формуле
Фёрстера [99]
6 ~ 9000(lnl0)x2g)f 7 fDzA-dv
~ 128л6п4АГ J v4 ’
О
где N — число Авогадро, п — показатель преломления среды,
и2 — ориентационный множитель (приблизительно 2/3), <р/— эф-
фективность флуоресценции, fD — спектр испускания флуорес-
ценции донора, нормированный к единице, &А — спектр погло-
щения акцептора, a v—волновое число в см"1. Фёрстер рассчи-
тал, что для флуоресцеина критическое расстояние переноса
равно 50 А, а для хлорофилла — 80 А. Для бисульфата хинина,
спектр поглощения которого значительно шире, значение 8макс
ниже, а перекрывание меньше, получилось в 10 раз меньшее зна-
чение критического расстояния. С^еднее^расстояние между мо-
лекулами, равное 100 А, соответствует концентрации около
2«10-3Л4. Поэтому для самотушения флуоресценции путем пере-
носа энергии требуются почти столь же высокие концентрации,
как и для ударной дезактивации в маловязких растворителях при
единичной эффективности встреч [см. уравнение (86)], но с до-
полнительным условием перекрывания спектров поглощения и
испускания. Следовательнр^можно быть уверенными, что если
жидкий раствор^азбавлен настолько, что в нем не происходит
диффузионного самотушения флуоресценции, то в нем заведомо
можно пренебречь и тушением по,механизму дальнего переноса
энергии.
Однако если донор и акцептор являются разными соедине-
ниями с благоприятным перекрыванием спектров испускания и
поглощения, а выход флуоресценции донора высок, то эффектив-
ность безызлучательного переноса может быть значительно
^больше, чем в случае одинаковых молекул. Процессы переноса
энергии в такого рода системах были исследованы эксперимен-
тально. Боуэн и Ливингстон [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 энергии
в 15—30 раз превосходят диффузионные значения, а в более
вязком жидком парафине различия еще больше. Эти результаты
показали, что обмен энергией не является диффузионным про-
цессом. Следов агге^льно,_есл_и эффективность флуоресценции до-
нора высока, а положение полосы поглощения тушителя благо-
приятствует переносу синглетной энергии, то для того, чтобы
можно было пренебречь его влиянием на интенсивность флуорес-
ценции, необходимо снизить концентрацию тушителя до 10~4 М
или даже меньших значений.
. КИНЕТИКА ФОТОЛЮМИНЕСЦЕНЦИИ
87
Отметим, что, если перекрывание спектра испускания донора
со спектром поглощения акцептора пренебрежимо мало, про-
цесс (91) может все же осуществляться при реальной встрече
между XD* и L4, разумеется, при условии, что у акцептора син-
глетная энергия меньше, чем у донора [101] *.
7. Внутримолекулярный перенос энергии
Дальний перенос энергии от синглета к синглету, рассмотрен-
ный в предыдущем разделе, приводит к испусканию сенсибили-
зованной быстрой флуоресценции акцептора. Для этого раствор
должен быть достаточно концентрированным, т. е. значительное
число молекул акцептора должно располагаться в пределах
критического расстояния переноса. Поэтому можно ожидать, что
если «донор» и «акцептор» связаны друг с другом постоянно
(например, представляют собой части одной и той же молекулы,
соединенные насыщенной цепью), то перенос энергии будет на-
блюдаться даже в разбавленных растворах. Вебер и Тил [102]
изучили две системы этого типа **: 1-диметиламинонафталин-5-
(N-бензил)-сульфамид (I) и 1-диметиламинонафталин-5-(N-фе-
нил)-сульфамид (II):
Хотя, строго говоря, л-электронные системы нафталинового и
бензольного колец нужно рассматривать как единое целое, эти
системы не сопряжены и в первом приближении вносят незави-
симые вклады в спектр поглощения. Тем не менее оба соединения
* Е. Б. Свешникова и В. Л. Ермолаев [Опт. и спектр., 30, 379 (1971)] об-
суждали возможность диполь-дипольного индуктивно-резонансного переноса
энергии от электронно-возбужденного уровня ионов редких земель на высо-
кие колебательные уровни акцептора. Теоретически оценки неплохо согласуют-
ся с экспериментальными результатами по определению времени жизни лю-
минесценции редких земель и константы скорости безызлучательной дезакти-
вации их возбужденных состояний растворителями (водой, тяжелой водой,
метанолом и пердейтерометанолом). — Прим. ред.
** См. также работу Страйера и Хогленда [Stryer L., Haugland R. Р.,
Proc. Natl. Acad. Sci. U. S., 58, 719 (1967)], в которой на примере 12 соеди-
нений исследован индуктивно-резонансный перенос энергии между хромофор-
ными группами, закрепленными на известных расстояниях внутри сложных
молекул. — Прим. ред.
88
ГЛАВА II
испускают полосу флуоресценции, подобную полосе флуорес-
ценции 1-диметиламинонафталин-5-сульфамида (III).
8-SO2-NH2 III
В то же время у соединений I и II не была обнаружена флуорес-
ценция в той области, где флуоресцируют производные бензола.
Эффективность флуоресценции соединения I не зависела от дли-
ны волны в интервале от длинных волн до более коротких, чем
область поглощения бензоидных соединений, и Вебер и Тил за-
ключили, что перенос энергии к нафталиновому кольцу успешно
конкурирует с безызлучательной дезактивацией бензольного
кольца. У соединения II выход флуоресценции при переходе
к возбуждению светом 260 нм (область поглощения бензоидной
группировки) падает до 30% —в данном случае безызлучатель-
ная дезактивация бензольного кольца происходит значительно
быстрее, чем перенос энергии к циклической системе нафталина.
Примерно такие же процессы разыгрываются в органических
соединениях некоторых редкоземельных ионов, например в трис-
дибензоилметиде европия. Их широки€.„хпектры поглощения
обусловлены органическими лигандами.
дения передается одному из 4/-электронов центрального редко-
земельного атома, и он переходит на более высокую незапол-
ненную 4/-орбиталь. У многих редких земель эта энергия
теряется в безызлучательных процессах, однако у европия, тер-
бия, диспрозия и самария наблюдается линейчатое испускание,
обусловленное одним или несколькими переходами типа
4fn->4fm. Это явление обычно называют внутримолекулярным
переносом энергии, однако его можно также рассматривать как
разновидность интеркомбинационной конверсии из состояния л*
(низшее триплетное состояние) в одно из «атомных состояний».
Этот процесс подробно рассматривается в разделе V, Д, 3.
В. КИНЕТИКА ФОСФОРЕСЦЕНЦИИ
1. Эффективность образования триплетов
В отсутствие очень сильного тушения время жизни триплет-
ных молекул на несколько порядков больше времени жизни син-
глет-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 кинетическое уравнение,
определим сначала эффективность образования триплетов как
КИНЕТИКА ФОТОЛЮМИНЕСЦЕНЦИИ
89
число триплетных молекул, образующихся на один поглощенный
квант возбуждающего света. В отсутствие фотохимических реак-
ций или же интеркомбинационной конверсии из высших синглет-
ных состояний скорость заселения нижнего возбужденного син-
глетного состояния Si равна скорости поглощения /а, а скорость
образования триплетных молекул за счет конверсии из состоя-
ния Si равна /в<рь Выражение для <р/ можно получить точно так
же, как было получено выражение для <р/ [уравнение (69)], т. е.
рассчитав'стационарную концентрацию синглетных молекул. Не-
трудно найти, что
Ф/= kg№f + kn + kg + kq [Q]), (93)
и, поскольку для тушения синглетного состояния сильно погло-
щающих соединений требуются концентрации тушителей по
крайней мере порядка 10"3 М, в отсутствие специально введен-
ных тушителей членом kQ [Q] можно пренебречь.
2. Эффективность и время жизни фосфоресценции
При низких интенсивностях света триплетные молекулы об-
разуются и потребляются в процессах, представленных следую-
щей системой уравнений (см. рис. 23):
So —^*S1—>7’1 Скорость =/дф/, (94)
Tt-+S0 + hv' =МЛ/ (95)
Т\ -» So + Тепло =km[7'], (96)
T1 + 7->So + ? = (97)
/р Термическая q А ГТ1 1 активация > 1 IV Ь (98)
где [</] — концентрация всех тушащих примесей, kq[q] — состав-
ная псевдомономолекулярная константа скорости тушения при-
месью, &е[Г] — скорость термической активации триплетных мо-
лекул обратно в возбужденное синглетное состояние. В стацио-
нарном состоянии получаем
= (kp + km -Ь kq [<7] + ke) [Г]. (99)
Скорость испускания фосфоресценции равна /гр[7’]. Поэтому
эффективность фосфоресценции определяется следующим вы-
ражением:
Фр = kP [Т]Ца — kp^kp + km + kq [<?] + ke), (ЮО)
в котором-константа скорости kp связана с излучательным вре-
менем жизни триплетной молекулы тд соотношением
kp = 1/т*. (101)
ЙО
ГЛАВА Г!
Действительное время жизни триплета т определяется уравнением
l/x = kp+km + kq[q] + ket (102)
поэтому уравнение (100) можно переписать в другой форме:
= (103)
При низкой температуре константа ke становится пренебрежимо
малой, а так как в жесткой среде диффузия очень мала, то
можно пренебречь и величиной kq[q]. Поэтому для случая низкой
температуры и жесткой среды получим
фр/ф< = kpHkp 4- km). (104)
Время жизни тя (или константа скорости kp) является фунда-
ментальной характеристикой вещества, не зависящей от темпера-
туры. Чтобы определить значения %R или kp, нужно знать не
только и т, доступные непосредственному измерению, но
также и эффективность q^, определение которой до последнего
времени представляло большие трудности. Эффективность обра-
зования триплетов ср; зависит от процессов с участием синглет-
ного состояния [см. уравнение (93)] и в отсутствие специально
добавленных тушителей синглетов определяется выражением
T; = M*f + ^ +V (105)
Чтобы обойти трудности прямого определения ф^, многие авторы
принимают, что ввиду малого времени жизни первого возбужден-
ного синглетного состояния внутренней конверсией из него (про-
цесс п на рис. 23) можно пренебречь. В этом случае
Ф^М^ + ^Л (Ю6)
ф^м^+У- а °7)
и, следовательно,
ф?. (108)
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 синглетного состояния kn при понижении тем-
пературы будет уменьшаться, поэтому при низких температурах
уравнение (108) выполняется точнее. Влияние температуры на <р*
будет сводиться при этих условиях к зависимости от нее ско-
рости интеркомбинационной конверсии kg. Абсолютные значе-
ния ф/ определить трудно, однако, измерив фр и т и использовав
уравнение (103), можно определить зависимость от температуры
относительной эффективности образования триплетов. Данные,
полученные Паркером и Хатчардом [19] (табл. 6), показывают,
КИНЕТИКА ФОТОЛЮМИНЕСЦЕНЦИИ
91
Таблица 6
Эффективность и время жизни триплетного состояния
дианиона эозина <7- 10"5 Л) [19]
Температура, °C т, с
В глицерине
— 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 этаноле
— 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
что для эозина в глицерине и этаноле величина фр/т очень мало
изменяется в температурном интервале от +70 до —196° С, и
можно полагать, что для эозина в этом диапазоне температур
уравнение (108) выполняется. Для эозина в глицерине <р/ = 0,45,
и, подставляя в уравнение (103) <^ = 0,55 и <рр/т = 6,0, нахо-
дим, что излучательное время жизни эозина составляет около
100 мс, т. е. примерно в десять раз больше измеряемого времени
жизни при температуре жидкого азота.
Способы определения qp* рассматриваются в гл. IV.
3. Зависимость фосфоресценции от температуры
В разделе II, Б, 5 показано, что эффективность быстрой флуо-
ресценции с ростом температуры обычно уменьшается. Эффект
невелик — в диапазоне от 77 К до комнатной температуры <р/
^едко изменяется более чем в 10 раз. В противоположность
этому эффективность -> 50-фрс^ор_есце1щии_+1ожет падать
в этом интервале температур на несколько порядков и чрезвы-
чайно сильно зависит от вязкости растворителя. Различие в по-
ведении обусловлено тем, что излучательное времяжизнитри-
плетного состояния велико и соответственно оно сильнее подвер-
жено тушению примесями и интеркомбинационной конверсии
Т\ So [см. уравнение (100)]. Для некоторых соединений оказы-
вается существенным дополнительное влияние изменений ср, (см.
раздел II, Б, 5), которое противоположно влиянию тушения и
92
ГЛАВА II
иногда приводит к очень малым эффективностям фосфоресцен-
ции при 77 К. Однако для многих соединений, у которых ф/ срав-
нительно мало меняется с температурой, величина изменения фр
при переходе от твердого раствора при 77 К к жидкому раствору
при комнатной температуре может быть оценена следующим об-
разом. Экспериментально установлено, что в освобожденных от
Рис. 27. Фосфоресценция (справа) и замедленная флуоресценция (слева)
фенантрена в этаноле [441]..
Скорость поглощения света (313 нм) около 10"”5 эйнштейн/(л*с). Около каждой кривой
указана температура. Чувствительности в 8500 и 108 раз больше использованной для ре-
гистрации быстрой флуоресценции (пунктирная кривая).
кислорода жидких растворах времена жизни многих 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 известно время жизни триплета при 77 К, то из уравнения
(103) можно рассчитать степень тушения при комнатной темпе-
ратуре. Так, излучательное время жизни триплета эозина срав-
нительно мало (~ 100 мс), а наблюдаемое время жизни при 77 К
около 10 мс, и, следовательно, его фосфоресценция потушена при
этих условиях примерно в 10 раз. При комнатной температуре
в глицерине (тр = 2,6 мс) фосфоресценция дополнительно по-
кинетика фотолюминесценции
93
тушена еще в четыре раза и ее нетрудно зарегистрировать. Вре-
мя жизни триплета было измерено еще в 1930 г. Будэн [31] при
помощи визуального фосфороскопа. С другой стороны, излуча-
тельные времена жизни многих триплетных молекул (например,
триплетов ароматических углеводородов) составляют 1 —10 с, и
можно ожидать, что эффективность их фосфоресценции в жид-
ком растворе при комнатной температуре уменьшится в 1000 раз
Рис. 28. Зависимость эффективности
фосфоресценции и замедленной флуоре-
сценции фенантрена от температуры.
Шкала абсциссы линейна для обратной темпе-
ратуры.
и более. Фосфоресценцию
ароматического углеводоро-
да при комнатной темпера-
туре в жидком растворе
впервые наблюдали в 1962 г.
Паркер и Хатчард [35]. На
рис. 27 показаны спектры
фенантрена при нескольких
температурах, а на рис. 28—
изменение величины срр/ф/
в более широком темпера-
турном интервале. При 77 К
интенсивность фосфорес-
ценции почти равна интен-
сивности быстрой флуорес-
ценции. При —98° 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 +22° С менее
одной тысячной значения
при 77 К. Время жизни фос-
форесценции уменьшается
при этом от 3,6 до 10~3с.
Причин ап а дения
эффективности и /Времени жизни фосфоресценции могут быть
увеличение скорости безызлучательной конверсии (km) и (или)
тушение триплетного состояния примесями (&д[<7]), но пока еще
не ясно, которая из этих причин является главной (см. раздел
IV, Б, 1) *.
* Недавно ряд авторов сообщили о наблюдениях достаточно интенсивной
фосфоресценции при комнатной температуре бензофенона в жидком перфтор-
метилциклогексане (Parker С. A., Joyce Т. A., Chem. Commun., 1968, 749) и
бензофенона, ацетофенона и трифенилена в тщательно очищенных жидких
углеводородах (Clark W. D.t Litt A. D., Steel C.t J. Am. Chem. Soc., 91, 5413
(1969)]. — Прим. ped.
94
ГЛАВА II
На рис. 27 показаны также спектры замедленного испуска-
ния растворов фенантрена; они относятся к замедленной флуо-
ресценции типа Р и обсуждаются в одном из следующих разде-
лов книги.
4. Перенос энергии от триплета к синглету и
сенсибилизованная фосфоресценция
Процесс переноса энергии
Донор (триплет) + Акцептор (синглет) -> Донор (синглет) +
+ 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 дли-
не волны нафталин не поглощает. Однако если в тот же раствор
ввести бензальдегид, то возникает яркая фосфоресценция, ха-
рактерная для Т\ -> So-перехода в нафталине. Очевидно, возбу-
ждающий свет поглощается бензальдегидом, а затем энергия воз-
буж деция_переходит_н а нафталин и вызывает сенсибилизован-
ную фосфоресценцию. По механизму переноса от синглета к
синглету она перейти не может, поскольку синглетный уровень
бензальдегида расположен ниже синглетного уровня нафталина.
Таблица 7
Системы, исследованные Терениным и Ермолаевым [106]
Соединение # Высота триплетного уровня, . мкм”"1 Время жизни фосфоресценции, с Длинноволновый предел спектра поглощения, • мкм”1
Доноры
Ацетофенон 2,585 2,3 • 10"’ 2,75
Бензоин 2,565 2,4-10"’ 2,80
Бензальдегид 2,52 1,5-10“’ 2,675
Дифениламин 2,52 1,85 3,10
о-Оксибензальдегид 2,46 — 2,60
Карбазол 2,448 7,25 2,95
Бензофенон 2,42 4,7 • 10~3 2,60
Акцепторы
Дифенил 2,28 4,4 3,40
Нафталин 2,13 2,30 3,10
а-Метилнафталин 2,12 — 3,05
ц-Хлорнафталин 2,07 0,30
КИНЕТИКА ФОТОЛЮМИНЕСЦЕНЦИИ
95
Теренин и Ермолаев показали, что сенсибилизация происходит
при условии, что триплетныи^уровёнь' донора расположен выше
триплетного уровня акцептора. Было установлено, например, что
все соединения, приведенные в верхней части табл. 7, могут слу-
жить донорами по отношению к соединениям нижней части. Те-
ренин и Ермолаев предложили следующую схему процесса:
(110)
3D^lD-\-hV, (111)
SD-+'D, (112)
ЗД + 'Д-^’О + ЗД, (109)
3A-^A + hv". (113)
Предполагая, что вероятность переноса энергии [уравнение
(109)] пропорциональна концентрации акцептора, можно записать
1/т— l/xQ = ktrcA9 (114)
где т и то — времена жизни фосфоресценции донора в присут-
ствии и в отсутствие акцептора, сА — концентрация акцептора,
a ktr—константа скорости второго порядка. В растворе, со-
стоявшем из смеси этанола с эфиром, значения ktrT0 оказались
равными 0,7—2,3 л/моль, и, следовательно, чтобы получить ощу-
тимое тушение триплетов донора и сенсибилизацию акцептора,
требовались весьма высокие концентрации последнего.
Перенос энергии от триплета к синглету 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, альдегиды 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 второго
класса обусловлено переносом энергии от триплета к синглету
[уравнение (109)]. Авторы предположили, что вероятность пере-
носа повышается с увеличением степени перекрывания спектра
фосфоресценции диацетила со спектром Ту 50-поглощения ту-
шителя, а также с ростом силы осциллятора индивидуальных
переходов'. Эти же авторы [107] наблюдали в жидких растворах
сенсибилизованную фосфоресценцию и тогда, когда^ акцепто-
рами служили фосфоресцирующие дикетоны — диацетил, бензил
и анизил, а сенсибилизатором — бензофенон, триплетный уро-
вень которого расположен на 0,4 мкм"1 выше триплетного уров-
ня диацетила. Эта разность достаточно велика для того, чтобы
96
глава ii
обеспечить диффузионный характер переноса энергии, и по зави-
симости интенсивности сенсибилизованной фосфоресценции диа-
цетила от его концентрации авторы рассчитали время жизни
триплетного бензофенона при 20° С в бензоле (1,9-10'6 с) и в
изопропиловом спирте (5,7-10“8 с).
Портер и Уилкинсон [108] исследовали перенос энергии от
триплета к синглету методом импульсной абсорбционной спектро-
скопии. Им удалось непосредственно наблюдать и тушение три-
плета донора, и образование триплета акцептора, процесс же типа
1D^ + 1 *A->1D + 3A (115)
они смогли 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 согласию с выводами Бекстрёма и Сандроса, однако
они не обнаружили, что эффективность тушения падает с уве-
личением энергетического промежутка между триплетом донора
и ниже расположенным триплетом акцептора. Они пришли к вы-
воду, что перенос энергии между молекулами происходит во
время их встречи на обычных расстояниях столкновения. Орби-
тали молекул при этом перекрываются, электроны становятся
неразличимыми и, когда молекулы расходятся, акцептор может
оказаться в возбужденном состоянии.
В донор-акц^пторных парах, изученных Портером и Уилкин-
соном [108], перенос энергии отк синглету 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 9,10-ди-
бромантраценов 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+ М —> ‘D + M* (115а)
был исследован [Васильев Р. Ф., Nature, 200, 773 (1963); Беляков В. А.,
Васильев Р. Ф., в книге «Молекулярная фотоника», изд-во «Наука», Л., 1970,
стр. 70] по усилению производными антрацена (’А) хемилюминесценции, ко-
торая сопровождает окисление циклогексана и этилбензола и эмиттерами ко-
торой являются циклогексанон и соответственно ацетофенон в триплетном
состоянии (3D); в этом случае в результате введения акцептора триплет-синг-
летное испускание донора заменяется синглет-синглетным испусканием акцеп-
тора. Процессы (115) и (115а) запрещены по спину. Этот запрет ослабляется
в результате спин-орбитального взаимодействия, которое тем больше, чем
больше атомный номер вводимого заместителя. Так, константы скорости ма-
ксимальны, когда донором в процессе (115) [или акцептором в процессе
(115а)] служит 9,10-дибромантрацен; они составляют 108— 109 Af-1c_1. В обоих
случаях перенос энергии идет по обменному механизму, который сводится к
обмену электронами между донором и акцептором при соприкосновении элек-
тронных оболочек их молекул. — Прим, ред.
КИНЕТИКА ФОТОЛЮМИНЕСЦЕНЦИИ
97
достаточно низко по сравнению с триплетным уровнем донора.
Позднее Сандрос и Бекстрём [109], а также Паркер, ХаТчард и
Джойс [НО] показали, что перенос происходит и тогда, когда
триплетные уровни доно-
ра и акцептора располо-
жены близко друг к дру-
гу, хотя в этом случае эф-
фективность встречи бу-
дет более низкой. Про-
цесс переноса энергии
можно иллюстрировать
диаграммой, показанной
на рис. 29. Когда три-
плетный у р ов ен ьа кцепто:
ра лежит значительно ни-
же уровня донора (схе-
ма Л), то в результате
переноса энергии обра-
зуется колебательно-воз-
триплет ак-
цептора, обладающий
энергией, равной той, ко-
торую до этого имел до-
нор. Затем акцептор бы-
стро теряет избыток коле-
бательной энергии, после
чего его энергия уже не-
достаточна. для обратно-
го переноса на донор.
С другой стороны, если
триплетные уровни распо-
ложены близко друг к
другу (случаи В и Г), то
перенос энергии возмо-
жен в обоих направлениях, причем для переноса с более низ-
кого 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 энергии
невозможен даже после термической активации.
Педенос^энергии от триплета к винглету в случае А прцво-
дит к тушению^ триплета донора, эффективность* которого на
одну встречу равна единице и которое подчиняется закону Штер-
на— Фольмера. В отсутствие акцептора уравнение (100) прини-
мает вид
А. Высокая эффек-
тивность переноса
Донор Акцептор
В. Низкая эффек-
тивность переноса
Донор Акцептор
Б. Переноса нет
Донор Акцептор g

5
________________
Г. Низкая эффектив-
ность переноса
Донор Акцептор §
3
<0
Рис. 29. Зависимость эффективности пе-
реноса энергии
относительного
от триплета к синглету от
расположения триплетных
уровней.

ню)
98
ГЛАВА II
и, следовательно,
ф°/фр = 1 +Л WP + km 4- ke) = 1 + T0kq Ы, (117)
где то — время жизни в отсутствие акцептора. Для акцепторов,
триплетный уровень которых расположен существенно ниже три-
плета донора, kq определяется диффузией, т. е. при 20° С состав-
ляет примерно 1010 л/(моль-с), и, следовательно, для 50%-ного
тушения триплетов с временем жизни 10 мс имеем
М50%~ 10-8М. (118)
Тушение, следовательно^ осуществляется при крайне низких кон-
центрТцйЯХ~ тушителя," и действительно, для того чтобы наблю-
дать триплет-синглетную фосфоресценцию в жидких растворах,
необходимо использовать тщательно очищенные вещества и рас-
творители. Кроме того, основное состояние молекулярного кис-
лорода — триплетное, поэтому он эффективно тушит другие три-
плетные молекулы; следовательно, необходимо как можно силь-
нее снизить и концентрацию молекулярного 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 Л->50. Более подробно этот
вопрос обсуждается в гл. IV.
Г. КИНЕТИКА ЗАМЕДЛЕННОЙ ФЛУОРЕСЦЕНЦИИ
1. Замедленная флуоресценция типа Е
Испускание замедленной флуоресценции типа Е происходит
в результате термической активации молекул из нижнего три-
плетного состояния в первое синглет-возбужденное состояние и
последующего излучательного перехода в основное состояние
(см. раздел I, 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. Кинетику испускания замедленной флуорес-
ценции типа Е нетрудно получить из схемы, представленной
уравнениями (94) — (98) (раздел II, В,2), которая приводит к
следующему выражению для эффективности фосфоресценции
[см. уравнение (100)]:
Фр = kffiftKkp +km + kq [<?] 4- key. (119)
КИНЕТИКА ФОТОЛЮМИНЕСЦЕНЦИИ
99
Если предположить, что все молекулы, термически активирован-
ные в электронно-возбужденное синглетное состояние [уравне-
ние (98)], флуоресцируют с обычной эффективностью флуорес-
ценции ф/, то для эффективности замедленной флуоресценции
Рис. 30. Спектры долгоживущего испускания эозина в глицерине (слева)
и в этаноле (справа) [19].
Быстрая флуоресценция при 4-30° С (а) и при 4-22° С (е). Долгоживущее испускание при
4-69° С (б), 4-48° С (в), 4-18° С (г), -40° С (б), 4-71° С (ж), 4-43° С (з), 4-22° С (и), -7* С (л),
—58° С (.и). Шкала интенсивностей для б — д в 200 раз меньше, чем для а; для ж — м
в 1000 раз меньше, чем для е. Кривая S —спектральная чувствительность фотоумножителя
9558 с кварцевым монохроматором (S \.
получится выражение, подобное формуле (119), а именно
Фе №р "Ь 1^] 4“ ^е), (120)
и, следовательно, *
фе/Фр = ketyflkp* (121)
100
ГЛАВА II
Отношение интенсивностей полос замедленной флуоресценции
типа”Ё~(кбротковолновь1е"полосы на рис. 30) и фосфоресценции
(длинноволновые полосы на рис. 30) не должно, следовательно,
зависеть от <р< и процессов тушения триплетных состояний.
Константа ke относится к термической активации на верхний
колебательный уровень триплетного состояния, с которого моле-
кула испытывает интеркомбинационную конверсию в первое
Рис. 31. Зависимость замедленной флуоресценции типа Е от темпера-
туры [19].
1, 2, 3 —эозин в глицерине, концентрации 7-10~8, I.5-10-8 и 0,08-10—5 М; 4. 5, 6 — эозин
в этаноле, концентрации 7«10—8, 1.5-10-8 и 0.3-10-8 М.
электронно-возбужденное синглетное состояние; ее можно пред-
ставить в следующем виде:
ke = A exp (- &E/RT), (122)
где А — частотный множитель, а ДЕ — энергия активации. Тогда
из уравнений (101), (121) и (122) получаем
Фе/фр = тлф?A exp (— AE/RT). (123)
Определенные по спектрам рис. 30 величины In (фе/ф₽) линейно
зависят от обратной температуры (рис. 31), и полученное из на-
клона графика значение ДЕ совпадает в пределах ошибки опыта
с энергетической разностью между максимумами двух полос ис-
пускания, тем самым подтверждая предполагаемый механизм.
Отметим, чтоскоростьиспускания замедленной флуоресцен-
ции типа Е равна тГё7 под'6§н(Гфосфоресценции, она прямо
КИНЕТИКА ФОТОЛЮМИНЕСЦЕНЦИИ
101
пропорциональна концентрации присутствующих триплетных мо-
лекул? Поэтому, еслТ’ вы'юпбчТтТ’ возбуждающий свет, испуска-
ние затухает по экспоненциальному закону с временем жизни,
равным времени жизни ^фосфоресценции. Этим оно отличается
от другой разновидности замедленной флуоресценции, которую
мы рассмотрим в следующем разделе.
Измерения Замедленной флуоресценции типа Е можно ис-
пользовать для определения энергии триплетного состояния и
для оценки скорости интеркомбинационной конверсии. Эти во-
просы обсуждаются в гл. IV.
2. Перенос энергии 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 взгляд может пока-
заться, что в данном случае имеет место замедленная флуорес-
ценция того же типа, что и для эозина. Однако ряд особенностей
показывает, что это испускание не может быть замедленной
флуоресценцией типа Е. Во-первых, расстояние между триплет-
ным и первым возбужденным синглетным уровнями фенантрена
столь велико (19 ккал), что при комнатной температуре терми-
ческая активация должна быть незначительна. Во-вторых, зави-
симость от обратной температуры логарифма 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 многих других соединений
с большим триплет-синглетным расщеплением показали, что эта
разновидность замедленной флуоресценции — общее явление.
Механизм явления впервые_сф^ормулировали Паркер и Хатчард
[45, 4б};~в"'ёгюЪсновел ежит тот опытный факт, что скорость испу-
скания замедленной флуоресценции IDF пропорциональна ква-
драту интенсивности возбуждающего света. Это означает, что
квантовая эффективность замедленной флуоресценции—этого'
типа 0 пропорциона льна " первой степени скорости поглощения
света, т. е.
Idp <х 12а, (124)
0 ос/а ’ (125)
и, следовательно,
0/ф^ос/а. (126)
Подтверждением «квадратичного закона» или, другими словами,
«двухфотонного» механизма замедленной флуоресценции в рас-
творе могут служить данные табл. 8, из которых следует, что
102
ГЛАВА II
Таблица 8
Влияние интенсивности света на замедленную флуоресценцию
растворов антрацена (46]
Наибольшая интенсивность возбуждающего света составляла
примерно 1,4* Ю~8 эйнштейн/(см2 • с) при 2,73 мкм-1 (366 нм)
Относительная интенсивность возбуждающего света, /0 5«10""4М 5»10~ 5 М
1О40/ф| 1О40/Ф|
1,00 93 0,00’9 92 0,009
0,29 36 0,012 30 0,010
0,112 17,5 0,016 10,4 0,009
0,081 129 0,016 — —
0,032 4,5 0,014 2,3 0,007
0,010 1,4 0,014 — —
Примечания.
0 —эффективность замедленной флуоресценции.
— эффективность быстрой флуоресценции.
Значения 0/Ф| для двух растворов непосредственно сравнивать нельзя, так
как в более концентрированном растворе возбуждающий свет сильно поглощался
и люминесценцию приходилось измерять со стороны возбуждения. Точность изме-
рений не столь высока, как в более поздних работах, но достаточна для того,
чтобы установить характер зависимости 0 от скорости поглощения света.
отношение В/ф/ (которое для процесса типа Е не зависит от ско-
рости поглощения света) ^изменяется точно так же, как и ско-
рость поглощения света. Подобные доказательства квадратич-
ной зависимости были получены для большого числа соединений
в жидком растворе [34—36, 86, 111 — 115], а также для несколь-
ких веществ в газовой фазе [47]. В предложенном механизме [46]
предполагается, что при встрече двух- триплетных молекул полу-
чается молекула X, которая затем распадается’на электронно-
возбужденную и невозбужденную синглетные молекулы:
So— Скорость = la^t, (127)
r->S0 . = kh[T],^ (128)
T+T-+X = kx [72]^ (129)
X -> Продукты = M*1, (130)
X->S] + S0 = ks[X], (131)
Si —> So H" hv' Быстрый процесс, (132)
где kh — сумма всех процессов первого порядка, в которых рас-
ходуются триплетные молекулы [см. уравнения (95) — (98)]. При
низких скоростях поглощения света (/а) скорость самотушения
триплетов [уравнение (129)] мала по сравнению со скоростью их
КИНЕТИКА фотолюминесценции
103
расходования в процессах первого порядка [уравнение (128)].
Поэтому в стационарном состоянии
1аЪ = ^1Т] = [Т]/г, (133)
где т—время жизни триплета. Далее, если предположить, что
неизвестное промежуточное вещество X диссоциирует очень бы-
стро, т. е. испускание замедленной флуоресценции лимитируется
процессом (129), то, поскольку для образования одной синглет-
возбужденной молекулы требуются две триплетные, а испуска-
ние происходит с эффективностью <р/, получаем
/№=4^m2<pfWr+^) (134)
и, принимая во внимание уравнение (133),
6/Tf = 4 kxJa (<M)2 [ks/(kr + fes)L (135)
где 0 — эффективность замедленной флуоресценции.
Заметим, что в результате реакций (129) и (131) триплетная
энергия передается> от одной триплетной молекулы ко второй
триплетной молекуле, т. е. часть энергии двух поглощенных по
отдельности квантов сосредоточивается на одной частице. По-
этому процессы, представленные уравнениями (129) и' (131),
можно назвать, переносом энергии от триплета к триплету.
В гл. IV мы увидим, что для некоторых соединений (лучший при-
мер — пирен) частица X представляет собой возбужденный ди-
мер S*y идентифицировать который можно по его характерной
флуоресценции, испускаемой прежде, чем димер успеет диссо-
циировать, т. е.
Т т —> $2 Si -J- So
|Av" (136)
So + so So
В случае других соединений испускание возбужденных димеров
не наблюдали и сначала предположили, что это объясняется
слишком быстрой диссоциацией димера. Имеются, однако, веские
доказательства того, что перенос.э^ергр!иот? триплета к триплету
может происходить на расстояниях, значительно превышающих
расстояние встречи [84—86], т. е. его можно представить как чи-
стый перенос энергии:
r+r^Sl + So. (137)
Поэтому в уравнение (135) желательно ввести параметры, свя-
занные с представлением о переносе энергии от триплета к три-
плету, выраженном уравнением (137). Для этого отметим сна-
чала, что импульсная абсорбционная спектроскопия показала,
104
ГЛАВА II
что константы скорости бимолекулярного триплет-триплетного
тушения близки к диффузионным значениям [108]. Следователь-
но, произведение kx[ksl(kr + &s)] можно заменить в уравнении
(135) произведением pckc, где kc — бимолекулярная диффузион-
ная константа скорости, а рс — вероятность того, что при встрече
двух триплетных молекул в конце концов получается возбужден-
ная синглетная молекула и синглетная молекула в основном со-
стоянии. Тогда уравнение (135) можно записать в следующем
виде:
0/<Pf==yPA/e(T/T)2. (138)
После выключения возбуждающего света концентрация трипле-
тов снижается экспоненциально с временем жизни т = l/kh. По-
скольку скорость испускания фосфоресценции (1Р = £р[7])
всегда пропорциональна концентрации триплетов, она снижается
по тому же закону, что и концентрация триплетов, а именно
= ехр(-//т). (139)
Скорость испускания замедленной флуоресценции [см. формулу
(134)] в любой момент времени пропорциональна текущей кон-
центрации триплетов в квадрате и, следовательно, после выклю-
чения возбуждающего света уменьшается по закону
Idf = Idf [exp(- //т)]2 = fDP exp (- 2f/r). (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 Гораздо 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 tDf(=t/2), 0/<р/
и 1а и независимым способом определить ф/, то, пользуясь урав-
нением (138), можно получить значение вероятности рс (подроб-
нее об этом и других приложениях замедленной флуоресценции
см. в гл. IV).
3. Замедленная флуоресценция типа Р в жестких
средах
По мере понижения температуры раствора увеличивается
его вязкость и уменьшается константа скорости kc, входящая
в уравнение (138). Времена жизни большинства триплетных мо-
КИНЕТИКА ФОТОЛЮМИНЕСЦЕНЦИИ
105
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 чрезвычайно мала, и эффективность замедленной флуорес-
ценции, как показывает опыт, пренебрежимо мала даже в тех
случаях, когда скорость поглощения света столь велика, что в
жидкости ей соответствуют весьма высокие эффективности за-
медленной флуоресценции. Однако если увеличить концентра-
цию вещества и, следовательно, скорость поглощения света, то
для некоторых соединений' удается'* наблюдать замедленную
флуоресценцию даже в жесткой среде. Экспериментальные дан-
ные, полученные разными авторами, несколько противоречат
друг другу. Возможно, это объясняется тем, что физические
свойства замороженного стекла сильно зависят от его состава, и
не всегда можно быть уверенными в том, что вещество пол-
ностью перешло в раствор. Кроме того, замедленную флуорес-
ценцию типа Р в жестких средах не всегда легко отличить от ре-
комбинационной замедленной флуоресценции (см. раздел I, В, 6),
поскольку последняя может возникать по двухфотонному меха-
низму, включающему последовательное поглощение двух кван-
тов светц, и интенсивность ее поэтому может оказаться пропор-
циональной квадрату интенсивности возбуждающего света.
Замедленную флуоресценцию в жестких средах, обусловлен-
ную переносом энергии 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-
щего света и экспоненциально затухает с временем-жизни, рав-
ным половине времени жизни триплета. Он предположил, что
замедленная флуоресценция возбуждается в процессе переноса
энергии от триплета к триплету, аналогичном представленному
уравнением (137).
„ .Адзуми и Мак-Глинн [118, 119] исследовали замедленную
флуоресценцию нескольких ароматических углеводородов в
эфир-пентан-спиртовых стеклах при 77 К. Они нашли, что хотя
фосфоресценция затухала экспоненциально (или приблизительно
экспоненциально), замедленная флуоресценция могла быть
представлена в виде суммы двух процессов первого 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 энергии между триплетами, т. е. переносом энергии от три-
плета к триплету на расстояниях, значительно превышающих
106
ГЛАВА II
расстояние встречи. Они не выяснили, однако, какой именно про-
цесс лимитирует скорость и отвечает за большое время жизни
замедленной флуоресценции.
Дюпюи [120] не обнаружил замедленной флуоресценции хри-
зена, нафталина и фенантрена в некоторых кристаллических уг-
леводородных матрицах, но зарегистрировал ее в присутствии
небольших количеств бензола. По его предположению, эта осо-
бенность обусловлена образованием димеров в результате кон-
центрации флуоресцирующего углеводорода в «островках» бен-
зола, которые образуются, когда кристаллизующаяся матрица
«выталкивает» бензол. Дюпюи, как и Адзуми и Мак-Глинн, 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. Гетерогенные матрицы исследовали
также Мак-Глинн и сотр. [121]. В случае пирена в чистых изо-
пентановых стеклах испускалась только фосфоресценция, но
если вводили небольшие количества воды, то получившиеся слег-
ка туманные стекла испускали как фосфоресценцию, так и за-
медленную флуоресценцию. При средних концентрациях в за-
медленной флуоресценции присутствовали полосы мономера и
полосы димера, причем интенсивность первых была пропорцио-
нальна квадрату интенсивности возбуждающего света, а интен-
сивность последних — первой ее степени. Полосы димера Мак-
Глинн и сотр. приписали сначала долгоживущему возбужден-
ному димеру, а позднее — кристалликам пирена. Очевидно, та-
кие гетерогенные стекла являются слишком сложными систе-
мами и, для того, ,чтобы понять полученные результаты и, в част-
ности, решить, не обусловлены ли микрокристаллами вещества
некоторые другие эффекты, требуются дополнительные исследо-
вания.
Подробные кинетические данные были получены Паркером
[84], изучавшим фенантрен в прозрачных твердых стеклах при
77 К. Спектр замедленной флуоресценции концентрированного
раствора в эфир-пентан-спиртовой смеси оказался идентичным
спектру быстрой флуоресценции, а интенсивность — пропорцио-
нальной квадрату интенсивности возбуждающего света. Замед-
ленную флуоресценцию испускали и суспензии тонкокристалли-
ческого фенантрена в изопентане при 77 К; спектр ее был подо-
бен спектру быстрой флуоресценции кристаллов, но отличался
от спектра, получавшегося в прозрачном стекле. Кроме того, ее
интенсивность оказалась пропорциональной первой (а не вто-
рой) степени интенсивности возбуждающего 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-
КИНЕТИКА ФОТОЛЮМИНЕСЦЕНЦИИ
107
ция возбуждается при рекомбинации, следующей за фотоиониза-
цией триплетного состояния, было отвергнуто на основании опы-
тов, в которых изменялась длина волны возбуждающего света.
Было установлено, что при полном поглощении света скорость
Рис. 32. Затухание замедленной флуоресценции в жесткой среде [84].
Фенантрен в эфир-пентан-спиртовом стекле при 77 К*> скорость поглощения света (313 нм)
6«10"’6 эйнштейн/(л*с)
испускания замедленной флуоресценции (Idf) подчиняется сле-
дующему закону:
(141)
где 8s — коэффициент погашения основного состояния. Из меха-
низма, включающего прямое поглощение света триплетными со-
стояниями, следует соотношение
/DFoc/208r (142)
Полученные результаты требуют, чтобы при всех длинах волн
8s 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 его 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 це доказывает, что замедленная флуорес-
ценция возникает при триплет-триплетной аннигиляции, а про-
сто свидетельствует о том, что один ее квант появляется в ре-
108
ГЛАВА II
зультате поглощения двух квантов возбуждающего света. Дока-
зательством участия триплетов служат измерения скорости ро-
ста интенсивности замедленной флуоресценции (рис. 33). Если
возбуждающий свет на короткое время (около 1 с) выключается,
а затем включается снова, то интенсивность замедленной флуо-
ресценции быстро достигает значения, близкого к максималь-
ному, а затем растет гораздо медленнее, пока не достигнет мак-
симума. Вклад начального быстрого роста тем меньше, чем
Рис. 33. Возгорание замедленной флуоресценции в жесткой среде [84].
Фенантрен в эфир-пентан-спиртовом стекле при 77 К* Указана продолжительность пред-
шествующего периода темноты.
продолжительнее предшествующий период темноты, и если этот
период достаточно велик для того, чтобы концентрация трипле-
тов упала до пренебрежимо низкого уровня, то замедленная
флуоресценция растет примерно экспоненциально со скоростью,
которая лишь незначительно ниже скорости роста концентрации
триплетов, измеряемой по фосфоресценции. Эти результаты хо-
рошо согласуются с представлением о том, что замедленная
флуоресценция возникает в результате взаимной аннигиляции
соседних триплетных молекул [84]. ,Лимитирующим процессом
является либо диффузия, либо вращение триплетных молекул;,
с возрастанием жесткости стекла снижается эффективность три-
плет-триплетной аннигиляции, мерой которой служит отношение
0/(ф/Л) (табл. 9).
Эти результаты Паркер интерпретировал в рамках представ-
ления о дальней триплет-триплетной аннигиляции, осуществляю-
щейся по одному из двух возможных механизмов. Первый из них
предполагает медленную диффузию и установление неоднород-
ного распределения триплетных молекул в результате их взаи-
модействия. Согласно второму механизму, диффузия незначи-
тельна, а замедленная флуоресценция возникает при взаимодей-
КИНЕТИКА ФОТОЛЮМИНЕСЦЕНЦИИ
109
Таблица 9
Влияние растворителя на эффективность замедленной флуоресценции
фенантрена при 77 К
Растворитель Жесткость Скорость поглощения света, эйнштейн/(л*с) в/ф^: Wa) Время жизни триплета, с
ЕРА Низкая 6,1 0,0041 а 67 3,6±0,1
5,8 0,0038 6 66
Этанол 7,6 0,0011 6 14 3,7 ±0,2
Жидкий парафин 6,7 0,00047 а 7 3,4 ±0,2
РММ Высокая 7,3 0,00012 а 1,6 2,9
7,8 0,00013 6 1,7
а Насыщенный воздухом.
$ Освобожденный от воздуха.
ЕРА —смесь этилового эфира (2 объема), изопентана (2 объема) и этанола (2 объема).
РММ — полиметилметакрилат.
стВии тех пар триплетов, которые при возбуждении образовались
на расстояниях, не превышающих расстояние взаимодействия;
при этом задержка в испускании соответствует тому времени, ко-
торое необходимо для того, чтобы триплеты путем вращения
образовали конфигурацию, благоприятствующую взаимодейст-
вию. Количественная обработка результатов показывает, что
первый механизм потребовал бы расстояний по крайней 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
описывать некоей комбинацией обоих механизмов. Нестационар-
ные условия независимо от того, обусловлены ли оди медленной
диффузией или затрудненным вращением, вероятно, часто встре-
чаются в тех случаях, когда фотолюминесценция возникает в ре-
зультате бимолекулярного процесса в стеклообразной среде. Для
количественного описания таких систем необходимо применить
кинетику переходных процессов (см. также раздел II, Б, 3)[84, 87].
4. Аннигиляционная замедленная флуоресценция
Суммарная скорость исчезновения триплетных частиц в жид-
ком растворе, не содержащем других триплетных частиц, равна
сумме скоростей четырех мономолекулярных [см. уравнения
(95)— (98)] и бимолекулярных процессов. Последние включают
образование возбужденного димера [уравнение (129)], непосред-
ственное образование возбужденного мономера [уравнение (137)]
110
ГЛАВА П
и, возможно, образование других продуктов (см. раздел IV, Б,3).
Мы будем выражать сумму констант скорости мономолекуляр-
ных процессов через мономолекулярную брутто-константу fe*,
а сумму констант скорости бимолекулярных процессов — через
бимолекулярную брутто-константу ka. Тогда скорость исчезнове-
ния триплетных молекул соединения А определяется выражением
d [3A]/dt = -kh [М] - ka [М]2. (143)
Квадратичная зависимость интенсивности замедленной флуорес-
ценции типа Р будет иметь место, когда скорость поглощения
света ограничена значениями, при которых второй член в правой
части уравнения (143) незначителен по сравнению с первым.
Целесообразно выразить предельные значения через молекуляр-
ные параметры и выяснить, при каких значениях этих парамет-
ров эффективность замедленной флуоресценции будет наиболее
высокой. Введем множитель ра — вероятность того, что анниги-
ляция двух триплетных молекул в конце концов приведет к об-
разованию синглет-возбужденной молекулы. Тогда скорость об-
разования последних будет равна уРа^а[3Л]2. Предположим
для простоты, что триплет-триплетная аннигиляцйя^контроли-
руется диффузией, т. е.
А>а = ^ = 8/?Г/3000т]. (144)
Тогда в случае квадратичной зависимости замедленной флуо-
ресценции
WW4 (145)
и эффективность замедленной флуоресценции выразится урав-
нением, аналогичным уравнению (138), а именно
6=4 VfPaWa (Ф/Т)2- (146)
Высокому значению 0 будут способствовать низкая вязкость рас-
твора (высокое значение &с), высокая вероятность образования
синглет-возбужденных молекул ра и большое время жизни три-
плетов. Если два соединения имеют одинаковое время жизни
триплетов, то более высокое значение 0 будет иметь то из них,
у которого больше значение ф^ф* Значение 0, очевидно, будет
максимальным у такого соединения, для которого ф/=1/з’и
Ф* = 2/з.
Чтобы найти выражение для максимально возможной эффек-
тивности квадратичной замедленной флуоресценции, мы должны
установить определенный предел для того вклада квадратичной
гибели триплетов, который мы еще можем допустить. Пусть
= (147)
КИНЕТИКА ФОТОЛЮМИНЕСЦЕНЦИИ
111
т. е. скорость исчезновения триплетов в результате аннигиля-
1 .
ции составляет у скорости гибели триплетов по первому порядку.
Тогда условие стационарности можно записать в виде
Ijft = kh РЛ] + kc [М]2 = 1,2kh РЛ] (148)
или с учетом уравнения (147)
Ia<Pt = 0,24k2h/kc = 0,24/(А). (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 достигнут при /афь приблизительно
равном 2-I0"6 эйнштейн/(л «с). Уравнение (146) не может дать
в этом случае правильного значения эффективности замедлен-
ной флуоресценции, но ее можно найти, подставив в уравнение
e=y<pfpA[M]2//e (150)
соответствующие параметры из уравнений (147) и (149). Тогда
9 =4’pe<pf(p<- ' <151>
Следовательно, при достаточно большом 1а (с учетом предель-
ныхусловий) значение Q не зависит от скоростей реакций три-
плетов. Максимальное значение 0, равное 0,02, будет иметь со-
единение, у которого ра — 1,0 и ф/ = ф/ = 0,5.
Когда скорость поглощения света увеличивается, скорость
триплет-трйшлетно^’аннигиляции (М3^]2) в конце концов ста-
новится большой по сравнению с &Л[3Д]. 0 будет увеличиваться
значительно медленнее, чем предсказывает уравнение (146), и
кривая гибели триплетов будет содержать все большую долю
компоненты второго порядка. Наконец, при очень высоких ско-
ростях поглощения света М3Л]2 станет очень большим, и кри-
вая гибели триплетов будет в основном кривой второго порядка.
Замедленная флуоресценция вэТюГует анни-
гиляционной замедленной флуоресценцией.
В предыдущих расчетах [уравнение (151)] мы не учитывали
те синглет-возбужденные молекулы, образовавшиеся при трип-
лет-триплетной аннигиляции, которые возвращаются в триплет-
ное состояние, так как при низких скоростях поглощения света
они составляют лишь малую часть первоначально получившихся
триплетов. Однако это уже не так при больших скоростях по-
глощения света, когда замедленная флуоресценция контроли-
руется аннигиляцией. В этих условиях аннигилируют все три-
плеты, и эффективность замедленной флуоресценции опреде-
ляется выражением-
е = Ф/^1раф/4_±(ра(р/)24.1(рвф/)34-(152)
112
ГЛАВА II
При ра = 1 максимальное значение 0 равно 0,17, когда <р« =
= 0,59, <р/ = 0,41. В случае прямого возбуждения более высокое
значение эффективности замедленной флуоресценции типа Р не-
возможно.
Хотя при высоких скоростях поглощения света интенсивность
замедленной флуоресценции типа Р уже не пропорциональна
квадрату скорости поглощения света, она все же пропорцио-
нальна квадрату интенсивности испускания Ti->S0) так как по-
следняя всегда пропорциональна [3А], а интенсивность замедлен-
ной флуоресценции пропорциональна [3А]2. Таким образом, при
высоких значениях 1а интенсивность замедленной флуоресценции
типа Р возрастает за счет интенсивности фосфоресценции. В кон-
це концов, когда замедленная флуоресценция начинает контро-
лироваться аннигиляцией, интенсивность замедленной флуорес-
ценции типа Р будет пропорциональна 1а, а интенсивность фос-
форесценции — пропорциональна (/о)1/а-
Практически очень важно иметь возможность определить на
опыте те условия, при которых скорость триплет-триплетной ан-
нигиляции возрастает настолько, что вносит заметные отклоне-
ния в квадратичную зависимость замедленной флуоресценции
типа Р. Поэтому мы рассмотрим, каким будет влияние данной
доли триплет-триплетной аннигиляции на форму кривой зату-
хания замедленной флуоресценции и на форму графика «квадра-
тичной» интенсивности. Когда возбуждающий свет перекрыт,
скорость гибели триплетов определяется уравнением (143), и все
это время скорость испускания замедленной флуоресценции
дается выражением
IDP А?. (153)
Дифференцируя уравнение (153) и делая подстановку из урав-
нения (143), получаем
dIDFldt = - 2khIDF - (Vpa<Pf)'/2 (2/df)’/2- (154)
Интегрирование дает
In
^DF
/0
— 2 In
I. *A + (Wf)l/2(2/M,/2
(155)
= -
где IdF — интенсивность в момент времени t = 0, т. е. в при-
сутствии возбуждающего света. Теперь допустим, что отноше-
ние скорости гибели триплетов по второму порядку к скорости
гибели по первому порядку при t = Q есть R, т. е.
Тогда

(156)

(157)
кинетика фотолюминесценции
113
и из уравнения (153) получаем
= (158)
или
k'^Rkh(pa^f/A)',‘- (159)
Подставляя это в уравнение (155), имеем
<160>
- JDF J L
Ясно, что при равном нулю, IDF уменьшается экспоненциаль-
но со временем жизни равным как описывалось ранее,
и в этих условиях график
уравнения (160) в зависи-
мости от времени в едини-
цах xdf будет иметь наклон
— 1 (прямая линия на
рис. 34). Отклонения от экс-
поненциальное™ для трех
других значений R хорошо
заметны (см. другие кривые
на рис. 34). Видно, что при
R = 0,2, как это было при-
нято в вышеприведенных
расчетах, график в течение
двух периодов полураспада
очень близок к линейному,
но наклон его почти на
10% меньше, чем для ли-
нейного распада. Даже ко-
гда R велико (равно 1), кри-
визна графика, взятого в
пределах одного времени
жизни, сравнительно мала,
но «время жизни», получен-
ное из этой части кривой,
будет составлять только
около 60% экспоненциаль-
ного времени жизни. При R
Рис. 34. Кривые затухания замедлен-
ной флуоресценции типа Р для различ-
ных отношений (R) начальных скоро-
стей затухания второго и первого по-
рядков.
= 10 кривая затухания прибли-
жается к кривой аннигиляционной замедленной флуоресценции.
В методах, обычно используемых для измерения кривых зату-
хания, трудно получить точные графики за времена больше двух
времен жизни, и с учетом трудности обнаружения малой кри-
визны, получаемой при большой доле гибели по второму по-
рядку, лучше делать измерения по крайней мере с двумя интен-
сивностями возбуждающего света, отличающимися друг от друга
114
ГЛАВА II
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
Рис. 35. Соотношение между эффек-
тивностью замедленной флуоресцен-
ции и скоростью поглощения света
для условий, когда существенно за-
тухание триплетов по второму по-
рядку.
(160) и построении кривых
рис. 34 мы не учитывали долю
получившихся при триплет-
триплетной аннигиляции синг-
летвозбужденных молекул, ко-
торые возвращаются в триплет-
ное состояние [см., например,
уравнение (152)], и это долж-
но было внести определенную
ошибку. Когда pa<pt мало, эта
ошибка мала при всех значе-
ниях /?, но если patyt велико,
то ошибка значительна при R
больше единицы.
При низких скоростях об-
разования триплетов (Jatyt) эф-
фективность замедленной флу-
оресценции 0 [при преобразо-
вании уравнения (138) и за-
мене paka на pckc] определяется
выражением
—=4(/«фд (lei)
у Pa4f4t h
т. е. график зависимости 0/(УгРаф/фг) от ka(Iа<^)[ k2h будет линей-
ным и будет иметь наклон, равный единице. Форма этого гра-
фика для значений R > 0 может быть рассчитана следующим
образом. Уравнение стационарности во время освещения имеет
вид
Ш = kh [М°] + ka [М°]2 = kh [ЗАО] (1 + /?), (162)
(164)
и при подстановке значений из уравнения (157) получаем
(U4) (7^) = /?(! + /?), (163)
а с учетом уравнений (153), (157) и (163) '
0 _ R
1 — 1 + Я *
У Pa<ff<ft
Таким образом, искомую зависимость можно получить, построив
график зависимости величины /?/(1-[-/?) от /?(!+/?), Кривая
КИНЕТИКА ФОТОЛЮМИНЕСЦЕНЦИИ
115
для значений 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 молекулярными
параметрами при различных степенях отклонения от квадратичной
зависимости замедленной флуоресценции (рис. 35)
R для ka=s0’6’10‘° л/(моль.с)
1= 1 мс т= 10 мс
0,01 0,0101 1,7 • 10~* 1,7-10“*
0,05 0,0525 8,8- 10 8,8- 10 ,
0,1 о,н 1,8- 10“’ 1,8- 10"
0,2 0,24 4,0 • 10~5 4,0 • 10
В табл. 10 приведены некоторые значения R и ^ат2(/а(р<), а
также соответствующие значения laq>t для этанола при ком-
натной температуре [в предположении, что kc = ka = 0,6 X
X Ю10л/(моль-с)] при времени жизни триплетов 1 и Юме. Эти
данные и график на рис. 35 позволяют рассчитать максимально
допустимые значения Ia<pt для различных степеней отклонения
от квадратичной зависимости.
5. Сенсибилизованная замедленная флуоресценция
Тот факт, что в жидком растворе процесс
+ (165)
может идти с высокой эффективностью встреч (см. раздел II, В,
4), означает, что возможно заселение триплетного уровня ак-
цептора А даже при очень низкой концентрации А в растворе
[см. уравнение (118)]. Поэтому можно ожидать, что в растворе,
содержащем D и Д, свет, поглощенный D, вызовет замедленную
флуоресценцию А и для этого 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 10~3 М испускание антрацена регистри-
ровали да^ке при чрезвычайно низкой его концентрации порядка
10"8 М. При столь низких концентрациях невозможно наблю-
дать замедленную флуоресценцию типа Р при прямом возбу-
ждении Л, и, действительно, в спектрах быстрой флуоресценции
116
ГЛАВА И
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 V, Д, 4).
Рис. 36. Сенсибилизованная замедленная флуоресценция антрацена [46].
Все растворы содержали 10”3М фенантрена в этаноле и следующие концентрации
антрацена: /— 10~“6М; 2 —5*10“7 JW; 5 — 10~“7 М\ 4— 10~8 М; 5— 10”9 М; 6 — быстрая флуо*
ресценция раствора 1 при чувствительности в 260 раз меньше. Интенсивность возбуждаю*
щего света 313 нм (з,19 мкм”1) равна 2,7*10“9 эйнштейнием2*с)
В дальнейшем для простоты мы не будем учитывать образо-
вание промежуточного продукта X [см. уравнение (129)] и пред-
положим, что перенос энергии от триплета к триплету идет в
соответствии с уравнением (137), т. е. непосредственно приво-
дит к образованию синглетных молекул в возбужденном 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 го-
воря, имеются два механизма замедленной флуоресценции ак-
цептора. Первоначальная стадия этих механизмов заключается
в заселении триплетного уровня донора D при поглощении све-
КИНЕТИКА ФОТОЛЮМИНЕСЦЕНЦИИ
117
та, за которым следует перенос энергии на акцептор А:
!£)*_> 3£) Скорость = (166)
= Pekc[3D][lA], (167)
(168)
3А-+'А = W*A], (169)
где — эффективность образования триплетов донора, k£ и
_ мономолекулярные брутто-константы скорости расхо-
дования триплетов; они включают псевдомономолекулярные
константы тушения примесями, а также константу скорости kp
излучательной дезактивации. ”
По первому механизму за процессом (167) следует перенос
энергии между двумя триплетами акцептора, который происхо-
дит так же, как и для непосредственно возбуждаемой замедлен-
ной флуоресценции [см. уравнение (137)]:
3А + 3Д -> М* + М Скорость = pAAkc [3Д]2, (170)
+ (171)
Очевидно, что именно этот механизм осуществляется в случае
всех тех акцепторов, для которых замедленная флуоресценция
типа Р наблюдается при прямом поглощении возбуждающего
света.
По второму механизму перенос энергии происходит между
триплетами донора и акцептора:
3Л + 3D -> М* + 'D Скорость = pD Akc [3D] [3Д]? (172)
Вообще говоря, можно ожидать, что оба механизма будут осу-
ществляться одновременно, но процесс (170) будет преобладать
при высокой концентрации акцептора, т. е. когда время жизни
триплетов донора мало (и, следовательно, низка их стационар-
ная концентрация). Процесс (172) будет преобладать при низ-
кой концентрации акцептора, т. е. когда низка стационарная
концентрация триплетов акцептора, а стационарная концентра-
ция триплетов донора высока. Кроме того, может испускаться
замедленная флуоресценция типа Р донора:
3D + 3D -> 1D* + 'D Скорость =* pDDkc [3D]2, (173)
1D*->1D + Av". (174)
Если энергия триплетного уровня акцептора меньше половины
энергии его первого возбужденного синглетного уровня, но
сумма триплетных энергий донора и акцептора больше, чем
энергия синглета акцептора, то процесс (170) энергетически
118
ГЛАВА И
невозможен, а процесс (172) окажется разрешенным. Следова-
тельно, в такой системе нельзя возбудить замедленную флуо-
ресценцию типа Р при поглощении света акцептором, но благо-
даря наличию процесса (172) можно вызвать сенсибилизован-
Длина волны, нм
Рис. 37. Сенсибилизованная за-
медленная флуоресценция нафта-
цена [123].
Все растворы содержали 5d0”6 М антра
цена в этаноле и следующие концентрации
нафтацена: / —4‘10"'8Af; 2 —8«10“8ЛГ,
5- 1,5*10"7 М; 4-3-10”7М; 5-быстрая
флуоресценция раствора 4 при чувствитель
ности в 1000 раз меньше. Скорость погло
щения света 2,73 мкм-*1 (.36- im) равна
0,4’Ю-*6 эйнштейн/(л*с)-
цена (TgF) равно половине вреь
и подчиняется закону Штерна

ную замедленную флуоресцен-
цию. Указанным условиям
удовлетворяет система антра-
цен (донор) + нафтацен (ак-
цептор). Энергия триплета
нафтацена 1,025 мкм-1 [122].
Она немного меньше половины
энергии первого возбужден-
ного синглетного уровня
(2,11 мкм-1), но достаточна,
чтобы в сумме с энергией три-
плета антрацена (1,47 мкм-1)
сделать процесс (172) энерге-
тически возможным.
Эти предсказания хорошо
подтверждаются на опыте [ 123].
Так, непосредственно возбуж-
даемая замедленная 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-
ги жизни фосфоресценции (гв)
Фольмера:
(175)
где [Л] — концентрация акцептора (нафтацена), Тд — время
жизни триплетных молекул антрацена в отсутствие [Л]. Было
найдено, что константа скорости тушения близка к диффузион-
ному значению [123]. Так как интенсивность замедленной флуо-
ресценции донора пропорциональна (xD)2 [см. уравнение (138)],
то интенсивность замедленной флуоресценции антрацена ту-
шится значительно быстрее, чем ее время жизни.
кинетика фотолюминесценции
119
С увеличением концентрации нафтацена интенсивность его
сенсибилизованной замедленной флуоресценции сначала увели-
чивается (рис. 38), а затем проходит через максимум и снова
уменьшается. Первоначальный рост интенсивности соответст-
вует повышению скорости образования триплетного нафтацена
и, следовательно, возрастанию вклада перекрестного тушения
триплетов [см. уравнение (172)]. Однако при дальнейшем уве-
личении концентрации нафтацена вследствие тушения умень-
шается время жизни триплетного антрацена, а увеличение кон-
центрации триплетного наф-
тацена не может компенси-
ровать уменьшение стацио-
нарной концентрации три-
плетного антрацена, поэто-
му общая скорость процес-
са (172) падает. Так как
встречи М+3Л неэффектив-
ны, то при высоких концен-
трациях нафтацена умень-
шается и общая интенсив-
ность сенсибилизованной
замедленной флуоресценции.
Рис. 38. Влияние концентрации нафта-
цена на эффективность замедленной
флуоресценции антрацена (/) и нафта-
цена (2) [123].
Таким образом, резуль-
таты исследования системы
антрацен + нафтацен ясно
указывают на существова-
ние перекрестного туше-
ния триплетов, и можно
предположить, что тот же
самый механизм имеет место и в других системах, для которых
тоже возможен процесс (170). Полная эффективность сенсиби-
лизованной замедленной флуоресценции равна сумме эффектив-
ностей сенсибилизованной замедленной флуоресценции, возбу-
ждаемой в процессах (170) и (172). Мй выразим каждую из
этих эффективностей через параметры, входящие в уравнения
(166) — (173). Предположим, что скорость поглощения света
так низка, что скорости переноса энергии <;т триплета к три-
плету [уравнения (170) и (172)] незначительны по сравнению
с брутто-скоростями процессов первого порядка [уравнения
(168) и (169)]. Поэтому для триплетных молекул донора в ста-
ционарном состоянии имеем
7a<PF = lWD,
(176)
где время жизни донора xD определяется выражением
1/тп = k% + pekc [Д].
(177)
120
ГЛАВА II
Условие стационарности для триплетных молекул акцептора
можно записать в виде
Pekc l3D] [Л] = kf [ЗА] = [М]/т£, (178)
поскольку предполагается, что время жизни акцептора не зави-
сит от его общей концентрации [Д]. Из уравнений (176) и (178)
получаем
[М] = рЛт0ЯЛ]/а<р?тО. (179)
Скорость испускания замедленной флуоресценции акцептора,
возбуждаемой в результате самотушения триплетов [процесс
(170)], равна
= (180)
и для ее эффективности имеем
07vf = [4 PAAP^la (ф?тол)2] [Д1 ]2- (181)
Скорость испускания замедленной флуоресценции, возникающей
при перекрестном взаимодействии триплетов [процесс (172)],
равна
/^ = Ф7РОлММ] [’£>], (182)
и для ее эффективности имеем
. (183)
Для данной донорно-акцепторной пары величины в первых скоб-
ках уравнений (181) и (183) постоянны. Интересно рассмотреть
графики 07ф/ и 0'7ф/, соответствующие условиям, типичным
для жидких растворов при комнатной температуре. Для этого
выберем следующие значения параметров:
kc (для этанола при 22° С) = 0,57 • 1010 л/(моль • с),
Ре = Paa = Pda = 1 >
Ia = 10~5 эйнштейн/(л • с),
Ф° = 0,1,
то = то ~ 0>005с.
На рис. 39 показаны графики О'/ф/ и 0'7ф/> а также величины
0/<р/ для донора (pDD = 1,0), рассчитанные по уравнению (138).
Следует отметить ряд особенностей этих кривых. Во-первых,
уже при концентрации акцептора порядка 10-9 М замедленная
флуоресценция донора заметно тушится, а 0'7ф/ уже заметно
возрастает. 07ф/ незначительно до тех пор, пока концентрация
КИНЕТИКА ФОТОЛЮМИНЕСЦЕНЦИИ
121
акцептора не увеличится до значения около 10-8 М, при кото-
ром замедленная флуоресценция донора потушена почти на
50%. При дальнейшем увеличении концентрации вклад 0' в пол-
ную эффективность замедленной флуоресценции (0' -]-• 0") бы-
стро растет. Наконец, при высоких концентрациях акцептора,
когда донор полностью потушен, 07фу возрастает до значения,
равного 0/ф/ для замедленной флуоресценции донора в отсутствие
акцептора. В ^тих усло-
виях все триплетные мо-
лекулы донора заменяют-
ся триплетными молеку-
лами акцептора [процесс 6t0
(167) ]. Относительная
форма кривых и их поло-
жение на оси [Л] будут &
зависеть от непотушенно-
го времени жизни донора
и акцептора, как это сле-
дует из уравнений (177) 20
и (179). Для выбранной
пары донор — акцептор
значения 0/ф/ для всех
трех кривых будут увели-
чиваться пропорциональ-
но 1а и (ф?)2 (сенсибили-
зованная замедленйая Рис. 39. Рассчитанные эффективности за-
флуоресценция ПОДЧИНЯ- медленной флуоресценции для типичной
ется квадратичному за- донорно-акцепторной системы,
кону) при условии, что
скорость поглощения света недостаточна, чтобы сделать скоро-
сти переноса энергии от триплета к триплету сравнимыми с
брутто-скоростями дезактивации триплетов по первому порядку.
Из сравнения формул (181) и (183) видно, что 070" пропор-
ционально kcx$ [Л]. Таким образом, для данной концентрации
акцептора большое время жизни триплетного акцептора и вы-
сокая диффузионная константа скорости (т. е. низкая вязкость
растворителей) способствуют осуществлению механизма само-
тушения триплетов.
Время жизни замедленной флуоресценции донора будет
равно половине времени жизни фосфоресценции донора во всех
точках кривой /, т. е. оно будет уменьшаться, когда триплетный
донор тушится. Аналогично время жизни замедленной флуо-
ресценции акцептора, появляющейся в результате самотушения
триплетов, будет равно половине времени жизни фосфоресцен-
ции акцептора для всех точек кривой 2 и постоянно. Затухание
замедленной флуоресценции акцептора, возникающей при
122
ГЛАВА II
перекрестном взаимодействии триплетов, происходит по экспо-
ненциальному закону, но ее время жизни будет изменяться от
точки к точке вдоль кривой 3 и будет равно + tD). Эти
выводы были подтверждены на системе антрацен — нафтацен,
рассмотренной выше [123]. Таким образом, в общем случае
суммарная замедленная флуоресценция акцептора будет сум-
мой двух экспонент, одна из которых соответствует кривой 2,
а другая — кривой 5.
Наконец, если концентрация акцептора и скорость поглоще-
ния света столь велики, что исчезновение акцептора опреде-
ляется аннигиляцией, эффективность замедленной флуоресцен-
ции может достигать высоких значений. Так, если <pf=l,
<р^=1 и рАА — 1, эффективность замедленной флуоресценции,
контролируемой аннигиляцией, будет равна 0,5. Для сравнения
отметим, что максимальная эффективность замедленной флуо-
ресценции типа Р, возбуждаемой при прямом поглощении света,
составляет 0,17 [см. уравнение (152)].
6. Антистоксова замедленная флуоресценция и
взаимная сенсибилизация
Перенос энергии от триплета к синглету (см. раздел П,
В, 4) может идти при условии, что триплетный уровень акцеп-
тора расположен близко к триплетному уровню донора или
Донор
Акцептор
--т—
\3(Ь)
3D±______
3(a) 2/ /
/'
/ /
А
Рис. 40. Механизм сенсибилизованной антистоксовой замедленной флуо-
ресценции в случае перекрестного тушения триплетов [125].
лежит ниже его. Если первый возбужденный синглетный уро-
вень донора ниже аналогичного уровня акцептора (рис. 40), то
триплетный уровень акцептора может заселиться, если свет
поглощается только донором (в результате процесса 1, рис. 40).
КИНЕТИКА ФОТОЛЮМИНЕСЦЕНЦИИ
123
Перенос энергии от триплетов донора к триплетам акцептора
(процесс 2, рис. 40) или между двумя триплетами акцептора
приводит к возбуждению синглетов акцептора и появлению
сенсибилизованной замедленной флуоресценции, длина волны
Рис. 41. Сенсибилизованная анти-
стоксова замедленная флуоресцен-
ция нафталина в этаноле при
—72 ±3° С [124].
/ — замедленная флуоресценция 10”3 М фе-
нантрена; 2 — то же и 3»10~3 М нафталина,
3 — быстрая флуоресценция растворов I и 2
при чувствительности в 2о0 раз меньше;
4—спектральное распределение возбуждаю
щего света для кривых 1, 2 и 5, скорость по
глощения примерно 0,7» 10”6 эйнштейн/(л«с);
5—быстрая и замедленная флуоресценция
3»10” М нафталина, возбуждаемая светом
313 нм [2-10“6 эйнштейн/(л-с)]; 6 — то же,
что на кривой 5, но чувствительность выше
в 100 раз
Рис. 42. Сенсибилизованная анти-
стоксова замедленная флуоресценция
перилена [125].
Эозин (динатриевая соль, 5»10”6м) и пе-
рилен (10”6 м) в этаноле при 22° С. / — за-
медленная флуоресценция, возбуждаемая
светом 546 нм (1,83 мкм”1). скорость погло-
щения 1,Ы0”5 эйнштейн/(л«с): 2 —быстрая
флуоресценция при чувствительности
в 1400 раз меньше.
которой меньше длины волны возбуждающего света. Такую
сейсибилизованную антистоксову замедленную флуоресценцию
впервые наблюдали в системе фенантрен (донор) + нафтацен
(акцептор) [124] (рис. 41), а впоследствии для ряда аромати-
ческих углеводородов, сенсибилизованных красителями [ПО,
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 энергии, чем квант возбуждающего
124
ГЛАВА И
света, убедительно доказывает, что часть энергии двух погло-
щенных квантов концентрируется на одной молекулярной час-
тице.
Кинетически сенсибилизованная антистоксова замедленная
флуоресценция подчиняется тем же самым правилам, которые
были установлены в предыдущем разделе для замедленной
флуоресценции акцептора [см. уравнения (181) и (183) и рис. 39].
Рис. 43. Перекрестная сенсибилизация замедленной флуоресценции [ПО].
Замедленная флуоресценция при —75° С 8» 10“6 М хлоргидрата профлавина в этаноле;
1 — без добавок; 2— 10”6 М антрацена; 5— 10”6 М 1,2-бензантрацена; 4— 10“б М пирена.
Скорость поглощения света (436 нм) равна 6»10~"6 эйнштейн/(л«с).
Однако процесс перекрестного взаимодействия триплетов [урав-
нение (172)] может, вообще говоря, дать и некоторое количе-
ство синглет-возбужденных молекул донора, если сумма энер-
гий триплетов больше, чем энергия синглета донора, что, оче-
видно, имеет место в системах, проявляющих сенсибилизованную
антистоксову замедленную флуоресценцию. Поэтому в таких
системах введение небольших концентраций акцептора должно
вызвать сенсибилизованную замедленную флуоресценцию до-
нора, возбуждаемого в процессе
+ + (184)
за которым следует процесс (174). Во многих системах эта сен-
сибилизация донора незаметна из-за сильной замедленной
флуоресценции донора, возникающей в результате прямого
возбуждения:
sD + 3D-»lD* + lD. (185)
кинетика фотолюминесценции
125
Однако в случае таких красителей, как хлоргидрат профлави-
на, солянокислый, акридин оранжевый и эозин, процесс (185)
протекает с очень низкой вероятностью, и при —75°С (когда
можно пренебречь замедленной флуоресценцией типа Е до-
нора) непосредственно возбуждаемая замедленная флуоресцен-
ция донора очень слаба (рис. 43, кривая 1). Добавление 10-6 М
акцептора вызывает почти полное тушение фосфоресценции до-
нора, но при этом в результате процесса (184) значительно
усиливается замедленная флуоресценция донора (рис. 43, кри-
вые 2—4). Такая сенсибилизованная замедленная флуоресцен-
ция донора должна подчиняться тому же кинетическому за-
кону, что и замедленная флуоресценция акцептора, возбуждае-
мая по механизму перекрестного тушения триплетов [уравнение
(183) и кривая 3 на рис. 39]. Однако это, по-видимому, не так.
При высоких концентрациях акцептора триплет донора очень
сильно тушится и процесс (184) полностью подавляется. Тем
не менее при высокой концентрации акцептора (10-4Л1), на-
пример бензантрацена, сенсибилизованная флуоресценция до-
нора все же наблюдается и ее интенсивность сравнима с полу-
чаемой при низких концентрациях акцептора.
Паркер и сотр. [ПО], наблюдавшие взаимную сенсибилиза-
цию в обсуждавшихся системах, позднее рассмотрели [59] воз-
можность возбуждения долгоживущего испускания донора в ре-
зультате тривиального эффекта (см. раздел III, Н, 8). Они
заново исследовали одну из своих систем и установили, что
тривиальный эффект ответствен лишь за малую часть испуска-
ния донора. Однако для окончательной интерпретации резуль-
татов требуются дальнейшие исследования.
Д. СВОДКА ТИПОВ ФОТОЛЮМИНЕСЦЕНЦИИ
Различные типы, фотолюминесценции, рассмотренные в гл. I
и II, приведены в табл. 11 вместе с механизмами, по которым
их можно распознать экспериментально. Отметим, что ко вре-
мени написания книги рекомбинационная замедленная флуо-
ресценция и рекомбинационная фосфоресценция были обнару-
жены только в твердых средах. Замедленная флуоресценция
типа Р в жесткой среде пока не обнаружена, но ее, несомненно,
можно получить при высокой концентрации растворенного ве-
щества. Не вызывает сомнения, что во всех жидких растворах,
в которых испускается замедленная флуоресценция типа Р,
должна наблюдаться и сенсибилизованная фосфоресценция
(возможно, с низкой интенсивностью). В твердом растворе при
высоких концентрациях акцептора ее наблюдали Теренин и Ер-
молаев [106] в классических исследованиях, впервые продемон-
стрировавших существование процесса переноса энергии от три-
Таблица 11
Классификация фотолюминесценции органических соединений
Тип Закон затухания Зависимость интенсивности от скорости поглоще- ния возбуждающего света (/aj Влияние температуры на интенсивность
Быстрая флуоре- сценция Фосфоресценция Сенсибилизован- ная фосфоре- сценция Замедленная флуо- ресценция ти- па Е Сенсибилизован- ная замедлен- ная флуорес- ценция типа Е Замедленная флуо- ресценция ти- па Р Сенсибилизован- ная замедлен- ная флуоресцен- ция типа Р Рекомбинационная фосфоресценция Рекомбинационная замедленная флуоресценция Экспоненциальный Такой же, как и для [TJ, и эк- споненциальный (со временем жизни тр) при низких 1а Тот же Время жизни = Ир То же Время жизни== = УгТ,, при низ- ких 1а> неэкспо- ненциальный при высоких 1а или в твердой среде а) При высоких [Л] и низких 1а вре- мя жизни б) При низких [Л] и низких 1а время жизни = =тдтоЛтл+то) Неэкспоненциаль- ный; часто мед- ленное затуха- ние Тот же azlQ сс/^2 при высо- ких 1а При низ- ких 1а Та же » » » » ос /2 при низ- ких 1а (Xla при высо- ких 1а Та же г9 ос /- при низ- ких 1а а) о< 1а (диссо- циация син- глетов) б) ос при низ- ких 1а (диссо- циация три- плетов) Такая же, как и при рекомби- национной фо- сфоресценции Умеренное умень- шение Быстрое умень- шение (остр) Сложное Фе/фр ос ос exp (—&E/RT) Сложное 6/фр непропор- ционально ехр (-.ДЕ/ЯГ) Сложное; в твер- дой среде при низких 1а силь- но понижается Часто растет при нагревании по- сле облучения (термолюмине- сценция) То же
КИНЕТИКА ФОТОЛЮМИНЕСЦЕНЦИИ
плета к синглету (см. раздел II, В, 4). Сенсибилизованная за-
медленная флуоресценция типа Е исследована тоже недоста-
точно полно. Очевидно, она должна испускаться (вместе с сен-
сибилизованной замедленной флуоресценцией типа Р) всеми
растворами, в которых акцептор имеет триплетный уровень,
лежащий близко от его возбужденного синглетного уровня.
В табл. 11 рключены только переходы, характерные для
органических соединений. При введении редкоземельных ато-
мов в молекулы появляется новый набор энергетических уров-
ней, соответствующий 4/-электронам, и число возможных типов
излучательных переходов увеличивается. Об этом кратко упо-
миналось в разделе II, Б, 7; подробнее этот вопрос будет рас-
смотрен в разделе V, Д, 3.
Глава III
АППАРАТУРА И МЕТОДЫ ЭКСПЕРИМЕНТА
А. ОБЩИЕ ЗАМЕЧАНИЯ
В этой главе мы рассмотрим основные принципы конструи-
рования фотолюминесцентных спектрометров и методику экс-
перимента при их использовании. Это делается для того, чтобы
химик мог оценить относительные достоинства продажных при-
боров для своей работы или при желании изготовить прибор
самостоятельно. В прошлом возникла некоторая путаница
в названиях различных приборов. Как отметил Прингсгейм
[126], для измерения интенсивности флуоресценции можно ис-
пользовать любой фотометр, но такие фотометры назывались
либо флуорометрами, либо флуориметрами; .первое название ис-
пользовалось в основном в США, а второе в Европе. Так как
флуорометрами обычно называли приборы для измерения вре-
мени жизни флуоресценции, стоило бы оставить наименование
флуориметр для приборов, предназначенных для измерения ин-
тенсивности флуоресценции. Однако Прингсгейм предложил для
последних название флуорофотометр, а прибор, включающий
элемент, диспергирующий свет, должен быть назван спектро-
флуорофотометр. С другой стороны, Боуман, Колфилд и Юден-
фрёнд [127] использовали термин «спектрофотофлуорометр».
В Европе такие приборы называют спектрофлуориметрами.
В настоящее время ситуация осложняется тем, что созданы
приборы, специально предназначенные для измерения фосфо-
ресценции, и их называют спектрофосфориметрами. Приставка
«спектро» указывает на то, что в приборе имеется по крайней
мере один спектрометр. В этой книге использованы наимено-
вания «флуориметр» и «спектрофлуориметр» для приборов,
предназначенных для измерения интенсивности флуоресценции.
Приборы для измерения времени жизни флуоресценции имеют
совершенно иную конструкцию, и их мы будем называть флуо-
рометрами. Конструкция флуориметров и спектрофлуориметров
обычно такова, что они позволяют измерять общую фотолюми-
несценцию образца независимо от времени жизни. Приборы,
предназначенные для отделения длительной люминесценции от
короткоживущей, обычно можно применять для измерения как
АППАРАТУРА И МЕТОДЫ ЭКСПЕРИМЕНТА
129
интенсивности, так и времени жизни долгоживущей люминес-
ценции, и здесь будет использовано одно и то же название для
приборов обоих назначений, т. е. фосфориметр или спектрофос-
фориметр.
Так как спектрофлуоритаетрия является развитием и усо-
вершенствованием флуориметрии, многие основные принципы
обоих типов приборов одинаковы. Поэтому мы рассмотрим
в первую очередь эти типы приборов, а в дальнейшем обсудим
Детектор
Монохроматор
возбуждающего
света
Источник
Рис. 44. Общая схема спектрофлуориметра [150].
дополнительные факторы, относящиеся и к спектрофосфори-
метрам, и к флуориметрам. Каждый флуориметр или спектро-
флуориметр содержит три основных блока: 1) источник 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 возбуждающего света, по точности вы-
деления длин волн испускаемого света, по чувствительности
и точности, с которой можно измерить выделяемую полосу
света. Для выделения длин волн во флуориметрах с фильтрами
в пучках возбуждающего света и света флуоресценции устанав-
ливают светофильтры; в спектрофлуориметрах оба пучка или
один из них пропускают через монохроматор. Поэтому спектро-
флуориметр можно использовать для измерения спектрального
распределения света флуоресценции, т. е. спектра испускания
флуоресценции, или для измерения зависимости интенсивности
флуоресценции от длины волны возбуждающего света, т. е.
спектра возбуждения флуоресценции.
На рис. 44 показана схема типичного спектрофлуори-
метра. Он состоит из источника, имеющего непрерывный спектр
1зО
ГЛАВА III
в видимой и ультрафиолетовой областях, монохроматора для вы-
деления требуемой длины волны возбуждения, держателя образца
и второго монохроматора с фотоумножителем для анализа света
флуоресценции. С помощью такого прибора можно выделять
узкую полосу длин волн возбуждающего света и измерять
спектр флуоресценции образца, можно также устанавливать
монохроматор флуоресценции на длину волны полосы флуорес-
ценции вещества и наблюдать изменение ее интенсивности в за-
висимости от длины волны возбуждающего света. В принципе
это просто, но на практике при такой конструкции очень трудно
достигнуть высокой чувствительности, так как много света те-
ряется. Свет источника распространяется во всех направлениях,
и только небольшая доля его попадает в первый монохроматор.
Из этой доли лишь узкая полоса длин волн направляется на
образец, который чаще всего поглощает не более 1 % света,
остальная же часть пропускается и не используется вовсе. Свет
флуоресценции тоже распространяется во всех направлениях, и
только небольшая его часть собирается вторым монохроматором.
Этот свет снова диспергируется, и опять выделяется узкая по-
лоса длин волн, так что окончательная интенсивность света, па-
дающего на детектор, составляет очень малую долю от света,
испускаемого 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 дорогими монохроматорами чувствительность будет оставать-
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 другом монохроматоре. Например, Паркер [73] получил хо-
рошо разрешенные спектры возбуждения антрацена при концен-
трации менее 1(У“8 вес. ч. с помощью прибора, имеющего моно-
хроматоры с малой светосилой, но с широкой щелью у моно-
хроматора флуоресценции. Аналогичные чувствительность и
разрешение можно получить при измерении спектра флуоресцен-
ции при широких щелях монохроматора возбуждения. Иногда
вместо двух монохроматоров можно использовать фильтры либо
на возбуждении, либо на флуоресценции. Со ртутной лампой и
фильтрами в канале возбуждения света можно получить гораз-
до большую интенсивность, чем при выделении света с помощью
большого монохроматора. Как будет показано далее, наиболее
серьезны трудности, связанные с ограниченной интенсивностью
возбуждающего света в области длин волн короче 300 нм. Эта
область является самой важной, так как большинство простых
органических соединений не поглощает свет в длинноволновой
области и для получения адекватной чувствительности прихо-
АППАРАТУРА И МЕТОДЫ ЭКСПЕРИМЕНТА
131
дится примиряться с недостаточной избирательностью фильтров.
Эксперименты с одним монохроматором проводились многими
исследователями [102, 128—131]. В следующих главах будут
описаны примеры применения приборов с одним и двумя моно-
хроматорами. В разделе «Источники света» приводятся при-
мерные значения интенсивностей возбуждающего света, кото-
рые получаются при использовании монохроматоров и филь-
тров.
Б. МОНОХРОМАТОРЫ
1. Принципы работы
Принципы работы монохроматора будут рассмотрены до-
статочно подробно. Это делается для того, чтобы читатель смог
оценить сравнительные достоинства различных продажных при-
боров и наилучшим образом использовать прибор, выбранный
для данной конкретной цели. Конструирование монохроматоров,
особенно высококачественных, требует учета многих факторов,
и это выходит за пределы данной книги. Можно, однако, упомя-
нуть, что Джонс и Ральф [132] описали конструкцию и характе-
ристики больших призменных (водяных) и решеточных моно-
хроматоров, позволяющих получать очень высокие интенсивно-
сти света для использования в фотохимических и фотобиологи-
ческих исследованиях.
Монохроматоры всех систем конструируются по следующей
схеме (рис. 45):- входная щель Wi регулируемой ширины, кол-
лиматор Mi (это может быть зеркало или линза), диспергирую-
щий элемент G (дифракционная решетка или призма), зеркало
или линза М2 для фокусирования диспергированного света и
выходная щель W2 регулируемой ширины. Будем для простоты
предполагать, что высота щелей Wi и W2 одинакова и фокусные
расстояния зеркал М\ и М2 тоже одинаковы; для монохромато-
ров, используемых в спектрофлуориметре, это условие обычно
соблюдается. Свет от источника S проходит через линзу Li
к выходной щели Wi монохроматора. Пучок света, выходящий
из щели Wlf делается параллельным с помощью коллиматора
Mi и проходит к диспергирующему элементу G. Свет различных
длин волн выходит из G под слегка различными углами, и дис-
пергированный свет фокусируется зеркалом или линзой М2 на
плоскость VR так, что каждая длина волны дает изображение
входной щели в некоторой точке плоскости VR. Изображения,
соответствующие различным длинам волн в пучке света от ис-
точника, образуют, таким образом, .полосу света, изменяюще-
гося по длинам волн от одного края VR к другому, т. е. спектр
источника. Выходная щель W2 располагается в некоторой точке
плоскости VR и таким образом выделяет узкую полосу длцн
132
ГЛАВА III
волн, которые проходят к образцу (или к детектору) через
другую линзу L2 или через другую оптическую деталь. При
вращении диспергирующего элемента G спектр VR движется
поперек выходной щели, так что каждая длина волны пооче-
редно попадает на образец или детектор. Длину волны можно
Рис. 45. Принцип работы монохроматора.
подобрать вращением вручную элемента G или, как это де-
лается в спектрофлуориметрах, вращением элемента G син-
хронным мотором с постоянной скоростью, так что полный
спектр автоматически сканируется и регистрируется на само-
писце.
2. Угловая и линейная дисперсия
Пусть угловая дисперсия а определяется как разность уг-
лов двух лучей, покидающих G, которые отличаются по длине
волны на 1 нм. В качестве диспергирующего элемента может
быть либо решетка, либо призма (см. рис. 45, А или Б). Для
лучей, проходящих через выходную щель, дисперсия решетки
почти не зависит от длины волнй, а дисперсия призмы изме-
няется с длиной волны. Например, дисперсия кварцевой призмы
изменяется примерно на два порядка в интервале от ближней
АППАРАТУРА И МЕТОДЫ ЭКСПЕРИМЕНТА
133
инфракрасной области (1000 нм) до коротковолнового 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 т вдоль VR,
занимаемое единичной полосой длин волн, определяется как
m = (186)
где f — фокусное расстояние зеркала М2.' Величина т — линей-
ная дисперсия монохроматора — выражается в миллиметрах на
нанометр. Изготовители решеточных приборов приводят либо
величину т, либо (чаще) ее обратную величину. В приборах
с призмами обычно указан график Мт (или величины, кратной
ей) в зависимости от длины волны.
3. Чистота спектра непрерывного источника
Рассмотрим сначала такое расположение, когда входная
щель Wi равномерно освещается источником света с постоян-
ным распределением по длинам волн, т. е. источником,’ который
испускает одинаковое число эйнштейнов в секунду в каждой
единичной полосе длин волн по всему спектру. Предположим,
что входная щель имеет очень малую ширину Изображение
IFi, получаемое в области VR при длине волны X, будет иметь
ту же ширину W[. Поскольку расстояние Wi вдоль VR соответ-
ствует интервалу длин волн
= wjm, (187)
то изображение W\ будет частично перекрываться с изображе-
ниями, соответствующими соседним длинам волн в интервале
Л±Д%ь Однако, так как предполагается очень малой, ин-
тервал длин волн ДХ1 также будет малым и можно считать, что
соответствующая длине волны X область VR освещается моно-
хроматическим светом таким образом, что спектр вдоль VR
будет «чистым» и будет иметь постоянную интенсивность.
Предположим теперь; что выходная щель открыта и имеет
конечную ширину w2. Центр выходной щели соответствует
длине волны а ее края — длинам волн X + Д W2 и % —
— ДЛ,2/2, где
&k2 = w2/m, (188)
Это показано на рис. 46, Л, в верхней части которого приве-
дены относительные размеры щелей, а в средней — изображе-
ния узкой входной щели, которые попадают на края выходной
щели, т. е. изображения рходной щели? даваемые светом длин
134
ГЛАВА III
волн X ± АХг/2. Видно, что при этих условиях свет, проходящий
через выходную щель, будет содержать длины волн в интервале
% ± АХ2/2 и будет иметь постоянную интенсивность в этом ин-
тервале (см. нижнюю часть рис. 46, Д). Интересно отметить,
А
Узкая
входная
щель
Входная тттмггл ezzzzzz
Выходная тшз , ezzzz
Б В
Входная Щели
щель немного равной
шире ширины
Изображения^
входной щели,
на выходной ।
щели '
ДЛг
Рис 46. Спектральное распределение света, проходящего через монохро-
матор от непрерывного источника.
В верхней части схемы приведена ширина щелей. В средней части выходные щели изо-
бражены сплошной линией, они имеют ширину, равную ширине полосы АА,2; входные щели
изображены пунктирной линией, они имеют ширину, равную ширине полосы AXf, на ка-
ждом рисунке введено по два изображения, соответствующих длинам волн А, ± АХ2/2.
В нижней части схемы показано распределение по длинам волн света, проходящего через
выходную щель каждой из трех комбинаций, изображенных в верхней части рисунка.
Масштаб в графиках А, Б и В нижнего рисунка разный.
что ширину входной 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 скон-
центрирован на площади очень узкой выходной щели.
Предположим теперь, что ширина входной щели возрастает
до сравнительно большой величины. Изображения входной
щели, соответствующие длинам волн Х±АХ2/2, показаны на
рис. 46, Б. Видно, что только половина этих изображений прохо-
дит через выходную щель, но небольшие доли изображений вне
этого интервала длин волн также проходят выходную щель.
АППАРАТУРА Й МЕТОДЫ ЭКСПЕРИМЕНТА
135
Нетрудно видеть, что перекрывающиеся изображения дают то
распределение интенсивности по длинам волн, которое показано
в нижней части рис. 46,5. Ширина полосы света, проходящего
через выходную щель, равна A^zfcAM. Полностью будут про-
ходить только длины волн из интервала Л ±(АЛ2 — ДМ)/2,
а длины волн, находящиеся вне этого интервала, будут иметь
интенсивность, уменьшающуюся линейно.
Случай, когда входная щель имеет ту же ширину, что и вы-
ходная, показан на рис. 46, В. Теперь с полной интенсивностью
проходит только центральная длина волны X, и спектральное
распределение имеет форму • треугольника. Полоса длин волн,
проходящая через выходную щель, равна теперь 2ДЛ, и при
длинах волн К ± АЛ/2 интенсивность уменьшается до половины
максимальной величины. По этой причине АХ иногда называют
полушириной полосы.
Важно определить для любой выбранной ширины полосы
оптимальную относительную ширину щели, необходимую для
лучшего разрешения. С точки зрения люминесцентных измере-
ний лучше всего, чтобы отношение количества прошедшего
света к общей ширине полосы было максимально. Общее коли-
чество света, проходящего через входную щель, пропорцио-
нально wi, а количество света4 прошедшего через выходную
щель Гдх, пропорционально ш2. Поэтому
ТДх=/С^2, (189)
где К — константа, смысл которой будет выяснен позже.
Ширина полосы равна
AAq + АА-2 = (^1 + . (190)
В оптимальных условиях отношение ТахДААч + АЛ2) должно
быть максимально для данной величины (АЛ,! + ДЛ2), т. е. вели-
чина
w{w2/W (191)
должна быть максимальной для данной суммы ширины щелей IF.
Подставляя
w2 = w - wx (192)
ч
в уравнение (191) и приравнивая производную к нулю, легко
показать, что ширина входной и выходной щелей должна быть
одинакова.
Из уравнения (J89) видно, что для одинаковой ширины
входной и выходной щелей количество прошедшего через мо-
нохроматор света от непрерывного источника пропорционально
ква. рату ширины щели, т. е. квадрату ширины полосы. Таким
образом, если для данной задачи допустимо удвоить ширину
полосы, то при этом интенсивность возрастает в четыре раза»
136
ТлАва lit
4. Чистота спектра линейчатого источника
Свет, испускаемый ртутными лампами, сконцентрирован
в основном в нескольких интенсивных линиях определенных
длин волн, которые налагаются на значительно более слабый
фон. Для выделения одной из этих линий можно использовать
монохроматор, получая таким образом довольно монохромати-
ческий свет высокой интенсивности, который можно использо-
вать для возбуждения люминесценции. Предположим, что
сплошной фон лампы очень мал, и определим максимальную
А Б В
Входная щель
слишком
узкая
--4ч
I I
Входная щель Входная щель
точной ширины слишком
широкая
Рис. 47. Изображения входной щели, создаваемые линиями спектра с дли-
нами волн Л1 и Л2.
Для того чтобы полнее собрать свет с длиной волны монохроматор установлен на Л,
и обе щели открыты, так что Wx~W2^m (Л2 — \).
j-JU

ширину щели, при которой можно отделить линию с длиной
волны Л,1 от ближайшей соседней линии с длиной волны \2
с помощью монохроматора с линейной дисперсией т. Сначала
рассмотрим случай, соответствующий рис. 46, 5, когда монохро*
Матор установлен на длину волны М. Свет с такой длиной
волны дает изображение входной щели в плоскости выходной
щели. Ширина этого изображения равна а центр его распо-
ложен в прямоугольнике выходной щели шириной ш2. Очевидно,
что весь свет, создающий изображение, пройдет через выходную
щель в том случае, если wx не больше w2.
Свет другой линии с длиной волны Л2 дает изображение
входной щели в плоскости VR. Это изображение также имеет
ширину Wi, но его центр удален от центра линии с М (рис. 47)
на расстояние, равное
m(Z2 — Лц) мм. (193)
Так как каждое изображение имеет ширину wlf то максималь-
ная ширина входной щели, при которой два изображения не
АППАРАТУРА И МЕТОДЫ ЭКСПЕРИМЕНТА
137
перекрываются, равна (рис. 47)
(194)
При этих условиях две длины волны можно разделить только
тогда, когда выходная и входная щели имеют одинаковую ши-
рину/ Если ширина выходной щели больше ширины входной
щели, то будет проходить
небольшая доля света
с %2. Если ширина выход-
ной щели меньше шири-
ны входной щели, часть
света с длиной волны Л1
будет потеряна. Таким
образом, оптимальным
условием является равен-
ство ширины щелей. Не-
обходимо отметить, что
в противоположность слу-
чаю с непрерывным ис-
точником доля прошед-
шего через выходную
щель света пропорцио-
нальна первой степени
ширины щелей.
Тот факт, что изме-
ряемые интенсивности ди-
скретного спектра зави-
Рис. 48. Изменение относительных интен-
сивностей линий и континуума спектра при
изменении ширины щели.
Испускание и рассеяние раствора 100 мкг/мл би-
сульфата хинина в 0,1 н. серной кислоте, освещае-
мого светом ртутной лампы с фильтром (толщина
2 см) из 0,8%-ного (вес/объем) раствора нитрита нат-
рия в воде. Ширина щелей для верхней кривой
0,5 мм, для нижней кривой 0,05 мм.
сят от первой степени ши-
рины полосы, а интенсив-
ности непрерывного спек-
тра зависят от квадрата
ширины полосы, означает,
что для источника, имею-
щего как дискретную
часть, так и континуум, относительные интенсивности линий и
континуума в измеряемом спектре будут меняться в зависимости
от щирины щели. Это видно на рис. 48, где приведены спектры
испускания разбавленного раствора бисульфата хинина, воз-
буждаемого светом ртутной лампы с длинами волн 405, 436
и 546 нм. Первая из этих длин волн слабо поглощается би-
сульфатом хинина и возбуждает широкую полосу флуоресцен-
ции Вследствие низкой интенсивности этого излучения было
необходимо использовать приборы высокой чувствительности,
поэтому интенсивности рассеянного возбуждающего света были
относительно велики. Из рис. 48 видно, что при очень уз-
х щелях наблюдаемая интенсивность полосы испускания
138
ГЛАВА III
значительно меньше интенсивности линий; при широких щелях
(при низкой чувствительности прибора) она сравнима с интен-
сивностью линий.
С помощью такого метода можно выделять не только линии,
но и очень узкие полосы испускания, что и используют на прак-
тике. Например, спектры Шпольского, о которых будет идти
речь в разделе IV, Е, 5, содержат полосы с шириной менее
0,1 нм, и при узких щелях' можно добиться того, чго будет
видно наложение узких полос одного вещества на широкие
полосы испускания других веществ, присутствующих в большем
количестве. Влияние ширины полосы также сущеегвенно при
измерении спектров испускания, которые перекрываются с ра-
ман-спектрами растворителя. Узкие полосы раман-спектров
растворителей легко отличить. Широкие раман-полосы могут
быть ошибочно приняты за новые полосы флуоресценции (см.
раздел V, В, 1).
Поскольку интенсивности линий и полос испускания по-раз-
ному зависят от ширины щели, спектральное распределение
источников, имеющих как линейчатое, так и сплошное излуче-
ние, нужно изображать особым способом. Так, когда скани-
руется спектр такого источника с широкими и одинаковыми
щелями спектрометра, соответствующими полуширине полосы
ДХ, получается спектр, аналогичный верхнему спектру на
рис. 48, где континуум дает гладкую кривую, на которую нала-
гаются пики в виде треугольников с полушириной полосы АХ.
Поэтому спектр можно разбить на узкие прямоугольные уча-
стки шириной АХ. Каждую линию спектра ртутной лампы
можно изобразить одним из этих прямоугольников с высотой,
равной максимальной интенсивности на длине волны этой ли-
нии минус высота прямоугольника, соответствующего конти-
нууму при этой длине волны. Высота последнего определяется
по высоте соответствующих прямоугольников на участке спек-
тра, где линии отсутствуют. Несколько иной метод измерения
спектров, имеющих линии и континуум, будет рассмотрен
в разделе В при описании источников света.
5. Определение линейной дисперсии
Если данные о дисперсии прибора отсутствуют, их можно до-
статочно точно определить по методу, описанному ниже. К мо-
нохроматору присоединяют фотометр, т. е. систему фотоумно-
житель— усилитель, обычно используемую для измерения
спектров флуоресценции. Напротив входной щели под углом
приблизительно 60° к оптической оси монохроматора устанав-
ливают экран из окиси магния, как показано на рис. 49, А.
Экран R из окиси магния освещается светом ртутной лампы
АППАРАТУРА И МЕТОДЫ ЭКСПЕРИМЕНТА
139
или другим источником с линейчатым спектром. В этом случае
фокусирующей линзы не требуется, так как интенсивность об-
лучения экрана из окиси магния не должна быть большой. При
очень узкой входной щели подбирают такую выходную щель,
чтобы ширина полосы АХ2 составляла несколько нанометров.
Рассмотрим теперь сигнал фотометра, когда сканируется неко-
торый участок спектра вблизи длины волны X выбранной линии

А
С ртутной
лампой
Б
С непрерывным
источником
Рис. 49. Схема установки для
определения линейной дисперсии
монохроматора.
М — проверяемый монохроматор. В ме-
тоде Б Y — анализирующий монохрома-
тор. DS и CS — линейчатый и непрерыв-
ный источники, —экраны из окиси
магния, Р — фотоумножители.
Положения
изображений вход-
ной щели, когда
монохроматор
установлен
на длины волн
Сканирование <з ®
в интервале 'g
линии £
Рис. 50. Метод измерения
линейной дисперсии с источ-
ником, имеющим линейчатый
спектр.

ртутной лампы. 'В верхней части рис. 50 прямоугольник из
сплошных линий изображает выходную щель, открытую до ши-
рины w2 миллиметров, что соответствует полуширине полосы ДХ2
[см. уравнение (188)]. Если ширина входной щели Wi, что со-
ответствует полуширине полосы ДХЬ то для всех длин волн
в интервале X±(ДХ2 — ДХ1)/2 изображение входной щели бу-
дет находиться в пределах прямоугольника. Для длин волн
X ± ДХ2/2 центр изображения входной щели будет точно нахо-
диться на одном из краев выходной щели. Эти два положения
изображения представлены пунктирными прямоугольниками,
каждый из которых имеет ширину Д^ (рис. 50). В каждом из
этих двух положений через выходную щель проходит точно по-
ловина света. При X ± (ДХ2 + Д2ц)/2 изображение входной щели
будет находиться за пределами входной щели и количество
света, проходящего через выходную щель, будет равно нулю.
140
ГЛАВА III
Таким образом, при сканировании вблизи линии наблюдаемая
интенсивность будет изменяться, как показано в нижней части
рис. 50. Разница в длинах волн между точками середины каж-
дой наклонной прямой равна полуширине полосы ДА2. Если
входная щель очень мала по сравнению с выходной щелью, на-
клонные участки будут почти вертикальными и требуемые
длины волн можно определить довольно точно [(А2 — Ai) —, ДА2].
Линейная дисперсия т равна ширине щели в миллиметрах, де-
ленной на наблюдаемую величину ДА2 [см. уравнение (188)].
В спектре ртутной лампы между 250 и 600 нм имеется около
двенадцати удобных линий, и для получения кривой дисперсии
призменного прибора вполне достаточно определить т для каж-
дой 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 отсутствуют в источнике, используют метод,
несколько отличающийся от описанного. Для этого необходимо
иметь источник с непрерывным спектром и два монохроматора.
Этот метод можно использовать для определения линейной
дисперсии монохроматора возбуждения спектрофлуориметра.
Входная и выходная щели монохроматора М подбираются, как
описано в предыдущем параграфе, и вместо кюветы с образцом
используют экран из окиси магния, расположенный под углом
около 60° (см. рис. 49,5). Экран затем освещают светом по-
лосы длин волн почти прямоугольного спектрального распре-
деления и шириной ДА2. (Спектральное распределение света,
проходящего через выходную щель, показано на рис. 46, Д.)
Затем определяют ширину полосы сканированием монохрома-
тора флуоресценции Y с очень узкими щелями. Из полученной
таким образом кривой прямоугольного вида определяют полу-
ширину полосы ДА2, соответствующую известной ширине выход-
ной щели монохроматора возбуждения ш2. Делением ш2 на ДА2
можно получить т для монохроматора возбуждения при опре-
деленной длине волны. В некоторых областях спектра интен-
сивность источника с непрерывным спектром (CS на рис. 49,
5) не очень велика, что не позволяет использовать узкую вход-
ную щель монохроматора М и узкие щели монохроматора У.
В этом случае значительно большая интенсивность облучения
экрана из окиси магния может быть достигнута при больших
и одинаковых щелях монохроматора М. Этот случай показан
на рис. 46, В. При сканировании анализирующего монохрома-
тора с узкими щелями получают кривую треугольного вида, по
которой, измеряя спектральный интервал, ограниченный дли-
нами волн с интенсивностями, равными половине максималь-
ной интенсивности, определяют полуширину полосы.
АППАРАТУРА И МЕТОДЫ ЭКСПЕРИМЕНТА
141
6. Оптимальное освещение входной щели
Как видно из рис. 45, свет источника S фокусируется на
входную щель W{ монохроматора линзой Ц. Фокусное расстоя-
ние линзы Ц 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 и и v зависят от от-
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 энергии источника). Если подо-
брано такое расположение, что .высота изображения источника
равна высоте щели, последняя полностью заполняется светом
при любой ее ширине. Соотношение между и и v определяется
формулой увеличения линзы
vlu = hls, (195)
где h — высота входной щели и s — высота источника. Допус-
тим, что — скорость испускания света (эйнштейн/с) на еди-
ничный телесный угол в пределах единичной полосы длин волн
(т. е. в пределах I нм). Предположим, что 01 — телесный угол,
образуемый конусом лучей от S, достигающих Lb а апертура
монохроматора
F = dlf, (196)
где f—фокусное расстояние коллимирующего зеркала Мь
a d — эффективная высота диспергирующего элемента. Прини-
мается, что проекция диспергирующего элемента, т. е. попереч-
ное сечение параллельного пучка лучей от Mi, диспергируемого
призмой или решеткой, является квадратом, следовательно < пло-
щадь его равна d2. (Так как зеркало Mi обычно круглое, то его
диаметр будет немного больше d.) Тогда телесный угол 02, стя-
гиваемый эффективной площадью Mi у входной щели Wb будет
приблизительно равен
ч .Q2 = d2/f2 = F29 (197)
Из уравнения (195)
01/02=y2/u2 = ft2/s2, (198)
И тогда из уравнений (196) и (197)
01==F2A2/s2. (199)
Количество света, собираемое линзой L\ и фокусируемое на
плоскость входной щели, равно /^01 эйнштейн/(с-нм). Если пло-
щадь источника равна Аи, площадь изображения источника на
142
{"ЛАВА III
плоскости входной щели равна Av, то между ними существует
соотношение
Л0/Лв — Л2/«2. (200)
/
Из уравнений (199) и (200) находим интенсивность света на
плоскости входной щели [эйнштейнДмм2 • с • нм)]:
/хО./Л^/.т (201)
(для. малых значений F). Увеличить удельную интенсивность
источника с помощью фокусирующей линзы невозможно. Од-
нако с помощью линзы можно добиться полного заполнения
входной щели независимо от ее размеров по отношению к раз-
мерам источника.
Если входная щель монохроматора имеет ширину оч, то ко-
личество света, проходящее через щель и попадающее на эф-
фективную площадь зеркала Mi, можно выразить [эйн-
штейн/ (С‘Нм)] так:
(^) F2hwx. (202)
Следовательно, чтобы собрать наибольшее количество света на
входной щели, необходимо иметь источник с возможно большей
величиной IjJАи, т. е. с наибольшей удельной яркостью [эйн-
штейн/ (мм2-с)]. Для источника данной мощности это означает,
что надо использовать источник наименьшей площади и формы,
соответствующей форме полностью открытой входной щели.
До сих пор мы предполагали, что источник имеет одинако-
вую яркость по всей площади, и при этих условиях наилучшее
использование энергии источника достигается в том случае,
когда 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 располагать источ-
ник света на расстоянии от линзы Lif немного меньшем, чем со-
ответствующее фокусное расстояние, при этом на входной щёли
получается размытое пятно света площадью, несколько превы-
шающей площадь щели. Устанавливая лампу немного не в фо-
кусе, мы тем самым получаем дополнительное преимущество
в том, что легкое смещение дуги во время работы лампы будет
вызывать меньшее изменение в интенсивности выходящего из
монохроматора света, чем в том случае, когда изображение
точно сфокусировано. Наилучшее расположение подбирается
опытным путем.
АППАРАТУРА И МЕТОДЫ ЭКСПЕРИМЕНТА
143
7. Светосила
Для оценки характеристик монохроматора выведем урав-
нение для светосилы, т. е. меры количества света в пределах
данной ширины полосы, который проходит через монохроматор
gt источника данной яркости. Светосила зависит от высоты
щели Л, фокусного расстояния f, угловой дисперсии а и рабо-
чей высоты d призмы 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 высокие для данного фо-
кусного расстояния щели также приводят к искажениям и ухуд-
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 Mi и М2 равны, т. е. монохроматор не дает увеличения. Бу-
дем в дальнейшем предполагать, что потери света в оптике
прибора равны нулю, а входная и выходная щели всегда имеют
одинаковую ширину ш, следовательно выполняется условие
максимальной эффективности прибора (см. раздел III, Б, 3).
Выражение для светосилы, которое выводится ниже, справед-
ливо в тех случаях, когда освещение входной щели светом ис-
точника оптимально, как описано в предыдущем разделе.
Свет, собираемый входной щелью, распределяется вдоль
VR с линейной дисперсией m миллиметров на 1 нм, и так как
мы предположили, что в монохроматоре потери света отсут-
ствуют, то каждая секция VR длины m будет получать [см.
уравнение (202)]
[-r~\p2hw эйнштейн/с. .(203)
’ \ Ли /
Ширина выходной щели тоже равна w, поэтому скорость про-
хождения света через выходную щель (эйнштейн/с) можно
записать так:
/ Ц \ F2hw2
. (204)
\ ‘*11 / •••'
Этот свет имеет спектральное распределение, показанное на
рис. 46, В, с полной шириной полосы 2АЛ., где 2АЛ, определяется
по уравнению (190)
2AZ = 2w/m. (205)
Чтобы определить светосилу, напишем выражение для коли-
ЛЛВЛСВеТа’ пРошеДшего через монохроматор, когда его щели
п д раны так, что полуширина полосы равна единице (1 нм).
144
ГЛАВА III
Для этого в уравнении (204) мы должны принять, что w
равно т. Тогда
(206)
Величина в скобках — яркость источника, а величина F2hm —
светосила монохроматора. Используя уравнения (186) и (196),
светосилу можно выразить в другой форме:
Светосила = F2hm — ahd2lf. (207)
Каждую из этих формул можно использовать для сравнения
монохроматоров в зависимости от того, какие параметры из-
вестны. Таким образом, светосила пропорциональна высоте
щели, линейной дисперсии и квадрату апертуры. С другой сто-
роны, для двух монохроматоров с аналогичным диспергирую-
щим элементом, например двух кварцевых призменных моно-
хроматоров (для которых а одинаково), светосила пропорцио-
нальна d2lf и высоте щели. Очевидно, для получения наилучших
характеристик монохроматора необходимо иметь по возмож-
ности наибольшие призмы или решетки (т. е. большие вели-
чины d) и по возможности большое отношение высоты щели
к фокусному расстоянию, если не будет серьезных искажений
и неоднородностей освещения выходной щели.
Используя понятие светосилы [уравнение (204)], световой
поток, проходящий через монохроматор со щелями данной ши-
рины, можно выразить в следующем виде:
Гдх М" (Светосила) —I = -т-1 (Светосила) (АХ)2. (208)
\ /1ц / \ т / \ /1ц /
Это уравнение соответствует уравнению (189) при одинаковых
щелях, в котором
К = (Светосил а)/т2. (209)
Уравнение для интенсивности света линейчатого источника
можно выразить аналогично уравнению (208). Так, если J —
скорость испускания света в полосе на единичный телесный
угол источника, то интенсивность освещения плоскости входной
щели [см. вывод уравнения (201)] равна
^2эйнштейн/(мм2 • с). (210)
Количество света, проходящего через входную щель, равно
(211)
АППАРАТУРА И МЕТОДЫ ЭКСПЕРИМЕНТА
145
и, если выходная щель имеет ширину не меньше весь свет
пройдет через выходную щель. Уравнение (211) можно запи-
сать в другом виде
7\ = (у-) (Светосила) (АХ). (212)
Таким образом, поток света, проходящий 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 светосиле
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
№ моно- хроматора Диспергирующий элемент h, мм- d, мм 1 F т, мм/нм Светосила F2 hm, мм2/нм
1 Решетка 25 100 0,20 0,30 0,30
2 Кварцевая приз- ма 18 45 0,14 0,033 (500) 0,22 (280) 0,012 0,077
2а Стеклянная призма 18 45 0,14 0,10 (500) 0,035
3 Решетка 11 50 0,29 0,14 0,13
4 Кварцевая приз- ма 15 40 0,06 0,067 (500) 0,44 (280) 0,0036 0,024
5 Кварцевая приз- ма 50 115 0,18 0,066 (500) 0,44 (280) 0,11 0,71
5а Водяная призма 50 115 0,18 0,28 (280) 0,45
Примечание. При расчетах светосилы принято, что потери света отсутствуют
и освещение выходной щели равномерно. Фактические значения могут быть значи-
тельно ниже. В скобках—длина волны (нм).
продажным приборам. Так как линейная дисперсия решеточных
монохроматоров существенно не зависит от длины волны, то их
светосилы, выраженные в размерностях длины волны, будут
одинаковы для всех длин волн. Дисперсия призменных моно-
хроматоров существенно меняется с длиной волны, и в табл. 12
приведены светосилы для указанных длин волн. На рис. 51 при-
ведены графики зависимости светосилы некоторых монохромато-
ров от длины волны.
Данные табл. 12 и рис. 51 позволяют сделать некоторые ин-
тересные сравнения. Так, цена решеточного монохроматора № 1
146
ГЛАВА III
такая же, как и призменного монохроматора № 2, но первый
имеет большую светосилу при всех X > 200 нм. В середине ви-
димой области при 500 нм светосила решеточного прибора в
25 раз больше светосилы кварцевого монохроматора. Светосила
второго прибора в видимой области становится в 3 раза больше,
Рис. 51. Светосила монохрома-
торов (в шкале длин волн).
Величины светосилы не включают по-
тери света. Фактические значения су-
щественно меньше.
если кварцевую призму заменить
стеклянной, но светосила его все
же значительно меньше, чем у ре-
шеточного монохроматора. Для
того, чтобы получить светосилу,
сравнимую со светосилой реше-
точного прибора в широком ин-
тервале длин волн, необходимо
использовать очень большой и до-
рогой кварцевый призменный мо-
нохроматор (№ 5), но даже и в
этом случае светосила его мень-
ше, чем у решеточного монохро-
матора при длинах волн более
360 нм. Вместо дорогих и боль-
ших кварцевых призм используют
полые призмы из кристалличе-
ского или плавленого 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 5 и 5а на
рис. 51. Можно применять другие
жидкости с большей дисперсией,
но, поскольку в настоящее время
можно приобрести большие решетки, сомнительно, чтобы изго-
товление всего монохроматора было намного дороже, чем за-
траты при использовании водяных призм.
Призменный монохроматор № 4 аналогичен монохроматорам,
обычно применяемым в спектрофотометрах для ультрафиолето-
вой области. Цена этого монохроматора такая же, как и реше-
точного монохроматора № 3, и приблизительно в три раза мень-
ше, чем цена монохроматоров № 1 и 2. С точки зрения светосилы
решеточные приборы значительно лучше призменных.
Однако было бы ошибочно сравнивать монохроматоры только
по светосиле. Необходимо учитывать также и другие факторы:
а) эффективность разных компонентов монохроматоров (она
была принята равной 100% при выводе уравнений), б) наложе-
ние других спектральных порядков в решеточных прибррах,
АППАРАТУРА И МЕТОДЫ ЭКСПЕРИМЕНТА
147
в) примесь рассеянного света, г) размер и расхождение пучка
из выходной щели и то, насколько это соответствует той цели,
с которой используется монохроматор. Ниже кратко обсуждает-
ся каждый из этих дополнительных факторов.
9. Эффективность решетки
При отражении от решетки свет разлагается на несколько
спектральных порядков, и, таким образом, количество света в
каждом отдельном порядке меньше, чем количество света, выхо-
дящего из призменного монохроматора с такой же светосилой.
Решетки обычно имеют «блеск»: профиль насечек на поверхно-
сти решетки (штрихов) делается таким, что наибольшее количе-
ство света направляется в спектр первого порядка *. Блеск рас-
считывают таким образом, чтобы решетка была наиболее эффек-
тивна в определенной области длин волн, и в этой области эф-
фективность решетки может достигать 50%. В других 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 попадает в другие
спектральные порядки, пучок света, выходящий из решеточного
монохроматора, содержит дополнительные длины волн, суще-
ственно отличающиеся от той длины волны, на которую установ-
лен монохроматор. Например, через монохроматор, установлен-
ный на 500 нм для спектра первого порядка, будет'проходить
свет с длиной волны 250 нм из спектра второго порядка. Если
монохроматор используется с целью выделения монохроматиче-
ского света для возбуждения вещества, поглощающего при
500 нм, то в данном случае в некоторой степени могут возбу-
ждаться и другие вещества, не поглощающие при 500 нм, но по-
глощающие свет 250 нм. Если такие вещества присутствуют в
больших количествах, это может приводить к существенным
ошибкам. Аналогично, если решеточный монохроматор исполь-
зуется для анализа флуоресценции образца, возбуждаемого све-
том 250 нм, то можно наблюдать слабый сигнал при 500 нм,
возникающий из-за рассеянного возбуждающего света, проходя-
щего 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-
рого порядка. С помощью фильтра, поглощающего свет с дли-
нами волн короче 380 нм [например, 1%-ный (вес/объем) рас-
твор нитрита натрия в воде, толщина слоя 1 см], можно свести
Иногда штрихи нарезают так, что свет концентрируется в спектре вто-
ро» о порядка. - Прим, ред.
148
ГЛАВА III
к нулю наложение линий второго 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 его концентра-
ции. Вопрос о подборе фильтров будет рассмотрен в следующем
разделе.
10. Рассеянный свет
Свет, выходящий из монохроматора, теоретически не должен
содержать никаких других длин волн, кроме линии, на которую
установлен монохроматор, и налагающихся линий второго по-
рядка решетки. На практике же свет, выходящий из монохрома-
тора, содержит небольшую долю всех длин волн, которые вхо-
дят в монохроматор. Это происходит в результате хаотического
рассеяния света поверхностью решетки и различными дефектами
и частицами пыли на фокусирующем зеркале М2 (см. рис. 45).
Доля рассеянного света в решеточных приборах обычно больше,
чем в призменных, и эта доля зависит от качества оптических де-
талей и конструкции монохроматора. Особенно трудно измерять
слабую люминесценцию при одной длине волны в присутствии
очень сильной полосы люминесценции при другой длине волны.
Рассеянный свет монохроматора возбуждения может налагаться
точно так же, как свет второго порядка спектра, о котором го-
ворилось ранее. Примеры осложнений вследствие рассеяния све-
та обсуждаются в гл. V. От рассеянного света часто можно из-
бавиться, используя соответствующие фильтры, но в том случае,
когда требуется очень чистый возбуждающий свет, т. е. когда
возбуждают люминесценцию одного соединения при малой его
концентрации в присутствии больших концентраций другого со-
единения, полоса поглощения которого расположена при более
коротких длинах волн, фильтры могут оказаться недостаточно
эффективными, и в этом случае необходимо использовать двой-
ной монохроматор.
11. Геометрия выходящего пучка света
и освещение образца
Светосила монохроматора, согласно уравнению (207), яв-
ляется мерой общего количества света, выходящего из монохро-
матора, но она ничего не говорит о геометрии выходящего пучка
света. Монохроматоры с большой щелью и большой апертурой
будут иметь большую светосилу, но в этом случае, свет распре-
АППАРАТУРА И МЕТОДЫ ЭКСПЕРИМЕНТА
Г49
деляется на большой площади выходной щели и интенсивность
света в расчете на единичную площадь будет сравнительно ма-
ла. Если пучок слишком велик по сравнению с кюветой, его
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 того, чтобы поместить поляри-
затор, или для того, чтобы использовать ячейки с ограниченной
апертурой, например сосуд Дьюара. Таким образом, при кон-
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 регистрация возникающей люминесценции. Ни-
же будут обсуждены различные способы облучения образца и
конструкции кюветного отделения. Здесь следует рассмотреть
общие* требования, обеспечивающие эффективную регистрацию
люминесценции вторым монохроматором. Рассуждения относи-
тельно размера источника света и его фокусирования на вход-
ную щель монохроматора возбуждения полностью применимы и
к монохроматору люминесценции, за исключением того, что в
данном случае источником света служит освещаемая площадь
образца. Поэтому для того, чтобы собрать как можно больше
света люминесценции, освещаемая площадь образца должна
быть небольшой и ее следует фокусировать на входную щель мо-
нохроматора люминесценции 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 тем 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 разложение.
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 тогда нужно использо-
вать узкие щели и, следовательно, сильно снижать интенсивность
света. Однако необходимо отметить, что некоторые приборы не
приспособлены для работы при очень высоком разрешении. На-
150
ГЛАВА III
пример, решеточный монохроматор с большой светосилой можно
изготовить специально для выделения больших интенсивностей
света сравнительно широкой полосы и снабдить серией сменных
фиксированных щелей сравнительно большой ширины. Другие
приборы с переменными щелями могут иметь сравнительно ма-
лую разрешающую способность из-за несовершенства конструк-
ции, давая, например, искривление изображения на выходной
щели, так что, когда ширина щели становится меньше какой-то
определенной величины, ширина полосы больше не уменьшается.
Для многих флуориметрических измерений, в которых полосы
флуоресценции очень широкие, эти ограничения разрешающей
способности не играют большой роли, но при измерении, напри-
мер, спектров Шпольского полосы могут быть чрезвычайно уз-
кими, и дл^ этой цели точные призменные ^приборы могут ока-
заться более ценными, чем решеточные, несмотря на высокую
светосилу последних.
13. Выбор между волновым числом и длиной волны
В гл. I было показано, что, поскольку процессы поглощения
и испускания света являются квантовыми процессами, в которых
величина кванта равна разности энергий между двумя молеку-
лярными состояниями, более целесообразно изображать спектры
как функцию волнового числа, а не длины волны. Читатель, ве-
роятно, заметил, что обсуждение в этой гдаве велось в терми-
нах длин волн. Это объясняется тем, что большинство монохро-
маторов прокалибровано в длинах волн и, кроме того, в реше-
точных приборах линейная дисперсия, выраженная через длины
волн, не зависит от длины волны. Это значит, что если сканиро-
вание спектра происходит при вращении барабана длин волн ре-
шеточного монохроматора с постоянной скоростью, то спектр ав-
томатически регистрируется на диаграмме в линейной шкале
длин волн, и это удобно. Нужно, однако, иметь в виду, что при
сканировании большого спектрального интервала спектр наибо-
лее растянут в длинноволновой области, а коротковолновая об-
ласть, где на один нанометр приходится больше информации,
более сжата. Если барабан призменного 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 близким к линейному, и для
некоторых целей он удобнее, чем спектр, получаемый при скани-
ровании решеточного монохроматора. Для прибора, который
регистрирует полностью исправленные спектры с использованием
двухкоординатного самописца (см. раздел III, К, 4), эти рассу-
ждения неприменимы, поскольку приборы обоих типов позво-
ляют получить спектры, линейные как в длинах волн, так и в
волновых числах.
АППАРАТУРА И МЕТОДЫ ЭКСПЕРИМЕНТА
151
Таблица 13
Соотношение между шириной полос,
выраженной в единицах длин волн,
и волновыми числами
к нм V, мкм-"1 Av, соответ- ствующая 1 нм
200 5,0 0,025
250 4,0 0,016
300 3,33 0,0111
' 400 2,5 0,00625
500 2,0 0,004
600 1,67 0,00278
800 1,25 0,00156
1000 1,00 0,001
Независимо от типа используемого прибора необходимо
уметь переводить длины волн в волновые числа и наоборот. Для
удобства перевода рекомендуются нанометр (1 нм = 10~9 м)
для длины волны и обратный микрометр (мкм"1) для волнового
числа. Таким образом, наиболее интересной спектральной об-
ластью фотолюминесценции является область 200—1000 нм, или
5,0—1,0 мкм-1. Поскольку в
этой книге приводятся спек-
тры, полученные с помощью
обоих типов приборов, во
избежание неточностей при
пересчете и перечерчива-
ния в ней используются оба
способа изображения Спек-
тров. В тех случаях, где это
необходимо, приведены оба
типа шкал.
Необходимо соблюдать
осторожность при переводе
значений ширины полосы из
одной шкалы в другую. Со-
отношение для перевода
можно вывести следующим
образом. Пусть Л—длина волны в нанометрах и v—волновое
число в обратных микрометрах. Тогда
v = 1000/Х. (213)
Дифференцируя, получим 1°00 А« Av = • АХ (214)
или А« 1000 л- ДЛ, = . Ду. (215)
Таким образом, ширина полосы в обратных микрометрах
(мкм"1), соответствующая ширине полосы 1 нм, быстро изме-
няется с длиной волны (табл. 13). При 200 jim 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-
лосы 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 ме-
рой количества света, проходящего через монохроматор (со ще-
лями, соответствующими ширине полосы 1 мкм"1) от непрерыв-
ного источника, испускающего единичную интенсивность в ин-
тервале I мкм-1 ц единичном телесном угле. Значения светосилы,
152
ГЛАВА III
выраженные в волновых числах, можно просто получить из соот-
ветствующих значений в длинах волн. Обозначим линейную дис-
персию, выраженную в миллиметрах на нанометр, через т(Х),
а выраженную в миллиметрах
на обратный микрометр че-
рез m(v). По уравнению (187)
Длина волны, нм
200 300 400 500 700
Рис. 52. Значения светосилы
(в шкалз волновых чисел).
т(Х) = ^/ДХ (216)
и
m(v)==ay/Av, (217)
где w — ширина щели монохро-
матора в миллиметрах. По-
этому из уравнения (214)
tn (^) __ 1 о\
т (A) ~ ~ 1000
и из уравнения (207)
Светосила (v) =
А2
= Светосила (Z)-j^-. (219)
Для иллюстрации использова-
ния шкалы волновых чисел на
рис. 52 светосила монохрома-
торов 1 и 2 (см. табл. 12) изо-
бражена как функция волно-
вого числа. Видно, что свето-
сила (v) для кварцевого призменного прибора изменяется толь-
ко в 5 раз в данном интервале волновых чисел, в то время как
для решеточного монохроматора она изменяется в 16 раз.
На первый взгляд уравнение (208) предполагает, что прохо-
дящий через монохроматор поток света от данного источника
должен неограниченно возрастать с увеличением светосилы. Это,
разумеется, не так, поскольку общее испускание источника имеет
конечную величину. Если попытаться увеличивать светосилу бес-
конечно, наступает такой момент, когда 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.
14. Выводы
Один из первых вопросов, с которым сталкивается исследо-
ватель при изготовлении спетрофлуориметра, это выбор ме-
жду решеточным и призменным монохроматорами. В больший-
Аппаратура и методы эксперимента
183
стве случаев этот выбор, несомненно, будет сделан в пользу
решеточных приборов как для монохроматора возбуждения, так
и для монохроматора люминесценции. Некоторые исследователи
предлагают использовать для монохроматоров возбуждения
призменные приборы, так как обычно люминесценция возбуж-
дается в коротковолновой области, где 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 многих целей не являются
необходимыми.
В заключение можно сказать, что максимальная светосила
спектрофлуориметра может быть получена с учетом следующих
факторов:
1) Использование монохроматоров, имеющих - наибольшую
светосилу [см. уравнение (207)], согласованную с размерами ис-
точника и максимальной рабочей щелью.
2) Использование источника с возможно большей удельной
яркостью [эйнштейн/(мм2-с-нм)] в интересующем нас интервале
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 монохроматического света монохроматора
возбуждения на возможно меньшую площадь образца (см. раз-
дел III, В, 9). Эта площадь должна по форме напоминать вход-
ную щель второго монохроматора.
5) Такой подбор конденсорной линзы второго монохрома-
тора, чтобы входная щель при ее полной рабочей ширине и кол-
лиматор второго монохроматора были заполнены светом флуо-
ресценции образца.
ч На практике все эти факторы выполняются редко и прихо-
дится выбирать компромиссное решение в зависимости от целей,
для которых изготовляется прибор.
15. Меры предосторожности
Оптические детали монохроматоров очень легко разрушают-
ся, поэтому необходимо соблюдать следующие меры предосто-
рожности. Монохроматор надо хранить в помещении при по-
стоянной температуре, так как быстрые изменения температуры
154
ГЛАВА Ш
могут привести к конденсации влаги на поверхности зеркала,
призмы или решетки. В качестве дополнительной меры предо-
сторожности рекомендуется помещать под крышку прибора ин-
дикаторные силикагелевые осушители. Осушитель следует
периодически менять. В лаборатории, где 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 и характеристики при-
бора серьезно ухудшаются. В этом случае желательно повторное
покрытие зеркал алюминием. Ни в коем случае нельзя прика-
саться руками к поверхности призмы, зеркал и решеток.
При работе со щелями также необходимо соблюдать опре-
деленные меры предосторожности. Щели надо осторожно чи-
стить специальной палочкой или спичкой для удаления пыли и
мелких песчинок. Это особенно важно, если часто используются
узкие щели. В некоторых монохроматорах при неосторожной ре-
гулировке ширины щели ее ножи могут сомкнуться, и при уста-
новке узких щелей следует проявлять особую осторожность, по-
скольку, если щели будут повреждены, то трудно будет добиться
того высокого разрешения, на которое рассчитан монохроматор.
В. ИСТОЧНИКИ СВЕТА
1. Измерение спектрального распределения ч
За исключением вольфрамовых ламп, которые дают истинно
непрерывный спектр, и ртутных ламп низкого давления, кото-
рые дают линейчатый спектр, все упоминаемые ниже источники
имеют смешанный спектр, содержащий как сплошное, так и ли-
нейчатое излучение. Количественное выраженйе относительных
интенсивностей линий и континуума 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 упоминалась выше, далее она будет обсуждена
более подробно, чтобы читатель мог получить максимальную ин-
формацию на .основе спектрального распределения источников
света.
В разделе III, Б, 4 (см. рис. 48) было показано, что при ска-
нировании смешанного спектра спектрометром с одинаковой ши-
риной входной и выходной щелей каждая монохроматическая
линия испускания дает наложенный на непрерывный спектр тре-
угольный сигнал с полушириной полосы, равной полуширине
установленной щели монохроматора. Относительное количество
АППАРАТУРА И МЕТОДЫ ЭКСПЕРИМЕНТА
155
света от линии и от соответствующего участка континуума полу-
чается сравнением уравнений (208) и (212), из которых видно,
что количество света от линии пропорционально ДХ, а количе-
ство света от участка континуума пропорционально (ДХ)2. При
регистрации смешанных спектров испускания ламп полезно ска-
нировать спектр с очень узкой входной щелью и сравнительно
широкой выходной щелью. При этих условиях каждая моно-
хроматическая линия будет давать существенно прямоугольный
сигнал с шириной полосы, соответствующей определенной ши-
рине выходной щели (см. раздел III, Б, 5 и рис. 50). Континуум
будет давать непрерывную кривую. Соотношение между интен-'
сивностью линии и интенсивностью соответствующего участка
континуума может быть вычислено следующим, образом. Мето-
дами, аналогичными методам, использованным при выводе ура-
внений (208) и (212), можно легко показать, что при неодинако-
вых щелях монохроматора с шириной, соответствующей ширине
полос ДМ и ДХ2 (где ДХ1 < ДМ), количество света от континуума
интенсивности и от монохроматической линии интенсивности
J выражается так:
Гда, = (Светосила) (ДМ) (ДМ) (220)
и
= (Светосила) (221)
Таким образом, в области линии'с длиной волны X
Отклонение пера самописца, соответствующее
____________количеству света от континуума _ 'аа, _ \ (A^2) (owx
Отклонение пера самописца, соответствующее__J * ' '
количеству света от линии
Но ДМ — это ширина прямоугольного сигнала, производимого
линией при развертке спектра, и, таким образом, если кривую
континуума разделить на прямоугольники с шириной ДМ
(рис. 53), то отношение суммы площадей этих прямоугольников
внутри интервала М — М к площади прямоугольника от линии
равно ^относительному числу квантов, испускаемых континуумом
в пол бее между М и Х2 и линией. Так, на рис. 53 доля монохро-
матического света длины волны X, испускаемого в интервале
Xi Х2, равна отношению площадей al(a-\-^b). С другой сто-
роны, доля света с длиной волны X ± ДХ2/2, испускаемого в ин-
тервале Xi Х2, равна отношению площадей (а + 64)/(а + 56).
десь мы использовали термин «длина волны», но, разумеется,
подобный метод справедлив и для волнового числа. Этот метод
тппаеНН° УД°бен для измерения спектральной чистоты света, про-
д щего через фильтры; он был, например, использован для
156
ГЛАВА IH
выделения монохроматической линии ртути с помощью узкопо-
лосного фильтра.
Подобный метод сравнения Площадей дает хорошие резуль-
таты в ограниченных интервалах длин волн или волновых чисел
без дальнейшего исправления при условии, что спектральная
чувствительность спектрометра не изменяется в этом интервале
слишком быстро. Если, однако, нужно провести точное сравне-
Р и с. 53. Метод измерения интен-
сивности линии по отношению
к фону.
ние Между сильно разделенными
спектральными областями, то по-
лучаемые спектры надо исправ-
лять. Континуум исправляется
точно так же, как и спектры
люминесценции (см. раздел
III, 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 Sx или Sv при соответ-
ствующей длине волны, или вол-
новом числе. Регистрируемые ин-
тенсивности линий не зависят от
ширины полосы, установленной
Спектр записывается с очень узкой вход-
ной щелью и широкой выходной щелью,
соответствующей ширине полосы ДЛ2.
Линия спектра дает прямоугольный сиг-
нал с площадью а, а фон дает гладкую
кривую. Сравнивая площадь а с пло-
щадью под кривой между и к2, можно
определить отношение испускания ли-
нии к испусканию фона в этом интер-
вале длин волн.
на спектрометре, а пропорцио-
нальны произведению PL (см.
раздел III, К, 3).
PL = Sk/Bx = (223)
где L — пропускание монохрома-
тора, а Р — сигнал фотоумно-
жителя на один квант, В* или
Вк — относительная ширина по-
лосы монохроматора, которая, вообще говоря, изменяется в за-
висимости от длины волны или волнового числа. Так, для реше-
точного прибора, для которого 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 последний вы-
ражен в единицах длин волн. Если интенсивность континуума
выражена в единицах волновых чисел или если используется
призменный прибор с переменной линейной дисперсией, тр для
линий и для фона необходимо иметь отдельные кривые кор-
рекции. ’ ' '
Спектральные распределения, показанные на рис. 55—59,
определены с помощью двойного монохроматора с кварцевой,
призмой. Они изображены так, как записаны на самодисце. Для
АППАРАТУРА И МЕТОДЫ ЭКСПЕРИМЕНТА
157
того чтобы сравнить разделенные спектральные области, на
рис. 54 приведены кривые коррекции для линий и для контину-
умов. По причинам, указанным ниже, обе эти кривые нормиро-
ваны к единице при 366 нм (2,73 мкм-1). Сканирование произво-
дилось при выходной щели мо-
нохроматора 1 мм [ширина по-
лосы изменялась от 74 нм
(0,091 мкм-1) при 900 нм до
1,8 нм (0,029 мкм"1) при 250 нм]
и при известной чувствитель-
ности прибора. Лампы были
расположены на расстоянии
60 см от экрана из окиси маг-
ния (см. рис. 49,4), и, таким
образом, можно было легко
определить шкалы относитель-
ной интенсивности для всех
спектров. Для пересчета спек-
тров на абсолютные интенсив-
ности линию 366 нм ртутной
лампы среднего давления вы-
делили с помощью узкополос-
ного фильтра с известным про-
пусканием при 366 нм и с по-
мощью ферриоксалатного ак-
тинометра определили интен-
сивность излучения внутри
единичного телесного угла при
этой длине волны (см. раз-
дел III, Е, 2). По интенсивно-
сти при 366 нм были опреде-
лены шкалы интенсивностей
всех спектров. Интенсивности
Длина волны, нм
Рис. 54. Кривые спектральной чув-
ствительности двойного монохрома-
тора с призмой из двуокиси кремния,
сочлененного с фотоумножителем
9558Q.
при других длинах волн можно получить делением интенсивности
на соответствующие коэффициенты коррекции (рис. 54). Необ-
ходимо отметить, что исправленные интенсивности для конти-
нуума^ относятся к ширине полосы монохроматора при 366 нм
(2,73 мкм"1), равной 7 нм (0,052 мкм-1).
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 310 нм для
ртутных ламп среднего и высокого давления). Спектр ртутной
лампы низкого давления был записан при одной чувствительно-
сти, а спектр ксеноновой лампы — при трех чувствительностях.
Левая шкала для спектра ксеноновой лампы относится к средней
158
ГЛАВА III
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
регистрировались как резкие узкие пики, а интенсивности конти-
нуума сильно уменьшались. При таком качественном сканирова-
нии разрешались близко расположенные линии (однако они не
Рис. 55. Спектр излучения ртутной лампы низкого 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-
кого давления и многих линий лампы среднего давления)
стороны прямоугольника, соответствующего линейчатому испу-
сканию, практически вертикальны, как и вытекает из уже обсуж-
давшейся теории. Вершины «прямоугольников», однако, скруг-
ленные, а не горизонтальные. 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 особенность — это форма линий лампы сверхвысокого дав-
ления. Они не имеют вертикальных сторон, так как «линии» от
таких ламп не монохроматические, а уширенные в результате cq-
ударений молекул (подробнее об этом см. ниже).
Аппаратура и методы эксперимента
150
Спектры, приведенные на рис. 55—59, — это спектры полного
испускания всех участков ламп, включая в большинстве случаев
и раскаленные электроды. Световой поток, выходящий из моно-
хроматора, зависит от яркости источника (1%/Аи или J/Au), как
Рис. 56. Спектр излучения ртутной лампы среднего давления на 125 Вт
(см. текст и рис. 54).
показало в разделе 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. Грубые оценки размеров светящихся участков приве-
дены в табл. 14 вместе с приблизительными долями полного ви-
димого излучения, которые им соответствуют. Поскольку эти
оценки были сделаны визуально, они довольно приближенны, но
полезны для грубого сравнения источников. Необходимо, однако,
160
ГЛАВА Ш
иметь в виду, что распределение длин волн может также менять-
ся в различных участках источника, а размеры источников, оце-
ниваемые по ультрафиолетовому излучению, могут сильно отли-
чаться от оценок в видимом свете.
Волновое число, мкл*-1
Рис. 57. Спектр излучения ртутной лампы сверхвысокого давления (см.
текст и рис. 54).
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 (из
рис. 54) равна 0,86. Поэтому интенсивность испускания лампы
равна 0,22-10"7 эйнштейн/(с-ср) для ширины полосы 0,052 мкм-1.
Выразив эту ширину полосы в единицах длин волн [уравнение
(215)], получаем 0,54-10~8 эйнштейн/(с-ср-нм). Это есть вели-
чина Л, которую Т1ри желании можно подставить в уравнение
АППАРАТУРА И МЕТОДЫ ЭКСПЕРИМЕНТА
161
Таблица 14
Размеры источников света
Лампа Область наибольшей интенсивности
полное излучение, % размеры, мм
Ртутная лампа низкого давления на 6 Вт 12 а 40 а-6
Ртутная лампа среднего давления на 125 Вт 60 20-1,2
Ртутная лампа высокого давления на 1000 Вт (работала при 700 Вт) 60 6,6-1,2
Ртутная лампа сверхвысокого давле- ния на 200 Вт 80 2,5- 1,6
Кадмиевая лампа на 25 Вт 75 26 • 3,3
Цинковая лампа на 25 Вт -100 22 • 4,9
Ксеноновая лампа на 350 Вт -100 5,9-3,6
Вольфрамовая лампа на 100 Вт -100 17-2,1
а Лампа низкого 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 указанной, при этом соответственно увели-
чивается интенсивность спектра.
Таблица 15
Световой поток ртутной лампы сверхвысокого давления
на 200 Вт после прохождения через решеточный монохроматор
к, нм Показания самописца, 10в«эйнштейн/(с-ср) Sq/By J, Юв-эйнштейнДс-ср) Г^, 107‘(эйнштейн/с«ср)
вычислено 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
т р Л.и я* Эффективная площадь источника равна (см. табл. 14) 2,5* 1,6ч-0,8 мм2,
’ т мон°кроматора равна 0,13, а полуширина полосы 10 нм.
рассчитано по уравнению (212):
ГХ = (-5^) «>.13) (10)=0,26/.
( , ' ..Вь1числение интенсивностей линий иллюстрируется в
9ППЛЙ пданными для ртутной лампы высокого давления на
я r tL еЛИЧИНы во втором столбце получены прямо из рис. 57,
к пм1тртл^ыМ И3 РИС‘ Рассчитанные значения 7\ относятся
нрРпо™™,. монохроматору со светосилой 0,13 при полушири-
не полосы 10 нм. Рассчитанные значения в 8-24 раз больше,
162
ГЛАВА Ш
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 около 0,5;
Волновое число, мкм ''
Рис. 58. Спектр излучения ксеноновой лампы на 350 Вт (см. текст и рис. 54).
б) потери на зеркалах;
в) потери на решетке (отражательная способность умень-
шается с увеличением длины волны);
г) недостаточно хорошая фокусировка изображения источ-
ника на входную щель.
2. Накаленные тела
Свет, испускаемый телом, нагретым до высокой температуры,
называется тепловым излучением', этот свет отличается от света,
испускаемого в результате возбуждения другими способами, т. е.
АППАРАТУРА И МЕТОДЫ ЭКСПЕРИМЕНТА
163
от различных видов люминесценции (см. раздел I, А, 1). Идеаль-
ное черное тело поглощает всю лучистую энергию любой длины
волны, которая на него падает, и спектральное распределение
света, испускаемого таким телом, связано с его температурой за-
коном Планка. Этот закон обычно выражается так:
dE _ 2л/гс2Лг-5 _ 3.7403ЛЛ,-5 • 10~5 , .
dK ~ [^(hc/kKT)- 1] — [ехр (1,4384/ЛГ) — 1] ’
где dE/d'k — энергия (эрг/с), испускаемая в пределах единичной
ширины полосы (1 см) при длине волны к (выраженной в санти-
метрах) идеально черным телом с площадью поверхности А при
Рис. 59. Спектр излучения вольфрамовой лампы на 100 Вт (см. текст и
рис. 54).
температуре Т градусов Кельвина, h — постоянная Планка, с —
скорость света, k — постоянная Больцмана (1,3805-10-16 эрг на
градус на молекулу). Выраженное в ваттах (1 Вт = 107 эрг/с)
и микрометрах, уравнение Планка имеет следующий вид:
' dE 3.7403ЯХ-5 • 104 „„ „„„
dK ~ [exp (14 384/ХГ) — 1]Вт На МКМ‘ (225)
При фотолюминесцентных исследованиях вместо единиц энергии
часто удобно использовать эйнштейны и вместо длин волн — вол-
новые числа. В этом случае уравнение Планка принимает сле-
дующий вид:
dQ 0,3127Лу2 о « , < ,
~dr==Iexp(14384v/r)-l] эинштеин/с на 1 мкм « <226)
164
ГЛАВА III
где v выражено в мкм4. 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 черного тела изобра-
жено на рис. 60; оно имеет максимум при длине волны, которая
уменьшается при повышении температуры. Для того чтобы сдви-
нуть максимум (выраженный в размерностях энергия — длина
волны) в середину видимой области, необходима температура
Рис. 60. Спектральное распределение излучения черного 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 dEfd'k находится
в ближней инфракрасной области при 1 мкм и кривая быстро
падает с уменьшением длины волны. Доля видимого света до-
вольно мала, а ультрафиолетового (^< 400 нм)—ничтожна.
Излучение в коротковолновой области еще меньше, если изобра-
жать спектральное распределение в размерностях эйнштейн —
волновое число (см. рис. 60). Долю ультрафиолетового излуче-
ния можно довольно сильно увеличить, если лампа будет рабо-
тать при более высокой температуре, 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 того, чтобы повысить испускание в
ближней ультрафиолетовой области.
АППАРАТУРА И МЕТОДЫ ЭКСПЕРИМЕНТА
165
Вольфрамовая лампа фактически не является абсолютно чер-
ным телом. Ее полное испускание меньше, чем изображено на
рис. 60. Однако форма спектра испускания в видимой области
может быть аппроксимирована спектром испускания абсолютно
черного тела при определенной температуре. Температуры, из-
меренные таким способом, называются цветовыми температура-
ми. Цветовая температура вольфрамовой лампы немного выше
ее истинной температуры: например, испускание при 2800 К соот-
ветствует цветовой температуре около 2880 К, т. е. доля коротко-
волнового излучения немного больше, чем показано на рис. 60.
Однако абсолютные интенсивности испускания при всех длинах
волн меньше показанных на рисунке.
Неисправленное регистрируемое испускание ленточной лампы
на 100 Вт (размеры тела накала 17 X 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 X 3,6 мм) только
в длинноволновой области видимого спектра, но даже здесь ее
удельная яркость значительно меньше. При использовании для
возбуждения в этой области она хороша тем, что имеет действи-
тельно сплошной спектр и высокоустойчива при стабилизирован-
ном питании через трансформатор. Вольфрамовую лампу имеет
смысл использовать для возбуждения в длинноволновой области,
когда не требуются большие интенсивности света. Для возбужде-
ния в фиолетовой части видимого спектра она используется ред-
ко, а в ультрафиолетовой области в большинстве случаев ее
лучше заменить разрядной лампой.
Вероятно, наиболее важным применением вольфрамовой лам-
пы в фотолюминесцентных исследованиях является использова-
ние ее в качестве стандарта для определения кривой 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 испускаемого видимого света. Этот метод калибровки
описан в разделе III, К, 3.
З.ч Ксеноновые лампы
Для определения полного 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 этого идеала. Мощную вольфра-
мовую лампу можно использовать только в видимой области,
ее интенсивность быстро падает в фиолетовой области.
166
ГЛАВА III
а интенсивность в близкой ультрафиолетовой области для боль-
шинства целей слишком мала. Водородная лампа имеет прак-
тически постоянное энергетическое 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 пользоваться продажной ксеноновой лампой
А. Ксеноновая лампа
Рис. 61. Схемы включения ксеноновой и ртутной ламп.
L — лампа; SE — поджигающий электрод (трехэлектродная лампа); V — вольтметр; А — ампер-
метр; S — поджигающее устройство; —реостат; IF—переключатель; С — индуктивность’,
PF — конденсатор. Провода, соединяющие поджигающее устройство и лампу, и провода,
проходящие через кожух лампы к поджигающему электроду, должны иметь хорошую
изоляцию, выдерживающую по крайней мере 50 кВ, для предотвращения искры. При на-
личии третьего поджигающего электрода нужны источник переменного тока и катушка
индуктивности; в этом случае необходима катушка Теслы для получения высокого на-
пряжения, подаваемого на поджигающий электрод.
мощностью от 250 Вт до 2,5 кВт. Хотя мощные лампы позволяют
получать свет большой интенсивности, они дороги и очень сильно
нагреваются. Чаще всего используют лампы мощностью от 250
до 500 Вт. Они имеют малую дугу большой яркости, так что на
входную щель монохроматора возбуждения можно сфокусиро-
вать сравнительно большую долю света. Ксеноновые лампы
имеют два недостатка: их интенсивность падает в коротковол-
новой ультрафиолетовой области (см. рис. 58), а видимая часть
спектра состоит из континуума, на который налагается большое
число линий (некоторые лампы содержат следы ртути, также
дающие слабый линейчатый спектр) (см. рис. 58). При низком
разрешении эти линии не играют роли, но могут проявляться
при высоком разрешении.
Аппаратура и методы эксперимента
167
Как и все газоразрядные и дуговые лампы, ксеноновые лам-
пы имеют «отрицательное сопротивление», т. е. при уменьшении
тока напряжение на лампе увеличивается'. Дуговая лампа по-
этому не может работать прямо от источника тока с низким им-
педансом: она или потухнет, или взорвется. В этом случае необ-
ходимо включать в цепь балластное сопротивление (при питании
постоянным током) или индуктивность (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 постоянного или переменного тока обыч-
но прилагаются к лампе. При рабочем напряжении около 20 В
лампа на 500 Вт имеет силу тока около 25 А. В случае перемен-
ного тока напряжением от 240 В в цепь последовательно с лам-
пой включается катушка индуктивности (рис. 61), действующая
как балласт, на котором в основном и падает напряжение. Для
замыкания токов высокой частоты в цепь необходимо включать
конденсатор. В таком режиме работы стабильность светового 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 волн, 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 ртутной дуги зависит
от давления, при котором работает лампа; по этому признаку
ртутные лампы делятся на три типа: лампы низкого давления,
или резонансные лампы, лампы среднего давления и лампы вы-
сокого давления.
5. Ртутные лампы низкого давления
Простейший тип ртутной лампы низкого давления — это квар-
цевая (или из синтетической двуокиси кремния) трубка длиной
30 50 см и диаметром около 1 см, содержащая каплю ртути, и
инертный газ (при давлении несколько миллиметров) для облег-
чения зажигания лампы. Трубка имеет по одному электроду на
каждом конце и может питаться от сети переменного тока через
168
ГЛАВА III
трансформатор с выходным напряжением около 1000 В, который
к тому же может играть роль балласта. Такие лампы имеют
мощность в несколько десятков ватт и работают при сравнитель-
но низких температурах, так что давление паров ртути лишь не-
много больше, чем при комнатной температуре (»10“3 мм). При
этих условиях почти все излучение сосредоточено в линиях 253,7
и 185,0 нм, что соответствует переходам 3Pj —>’50 и 1Р\ -> !50
7 8.0 г
6 о0 {основное состояние)
Рис. 62. Переходы, соответствующие некоторым интенсивным линиям ртути.
Приведены обозначения возбужденных состояний и’энергии уровней. Для каждого пере-
хода указаны длины волн линий в нанометрах.
(рис. 62). Последний переход является разрешенным. Первый пе-
реход, запрещенный по спину в случае легких элементов, у ртути
довольно хорошо разрешен по той причине, что для тяжелых эле-
ментов синглетные состояния имеют примесь триплетного харак-
тера, а триплетные состояния — некоторую примесь синглетного
характера.
Если лампа изготовлена из чистого кварца или из синтетиче-
ской двуокиси кремния, линия 185 нм очень интенсивна, но она
поглощается, если в кварце есть примеси. Эта линия также по-
глощается воздухом, при этом образуется озон, присутствие ко-
торого нежелательно, поскольку он поглощает линию 253,7 нм и
довольно токсичен. Поскольку ртутные лампы низкого давления
применяются 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 излучение распределено вдоль всей длины труб-
ки, и в монохроматор удается ввести лишь небольшую его долю.
Поэтому 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 легко расположить вокруг цилиндрической кюветы так,
чтобы получить наибольший световой поток через образец. В
большинстве случаев такое расположение неудобно для воз-
буждения люминесценции, и поскольку лампы низкого давления
имеют только одну достаточно интенсивную линию, они редко
используются в спектрофлуориметрии. Однако степень монохро-
матичности света при 253,7 нм вполне достаточна для многих
фотохимических задач и его можно использовать без дальнейшей
фильтрации.
Линии 253,7 и 185 нм соответствуют переходам в основное со-
стояние, поэтому их легко можно наблюдать также и в поглоще-
нии (поэтому они часто называются резонансными линиями).
Именно по этой причине их можно получить только с лампами
низкого давления. При высоких давлениях ртути, получающихся
при высоких температурах в лампах среднего давления, линия
становится шире, и горячая испускающая свет область окружена
холодными концентрированными парами ртути, которые почти
полностью поглощают 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 среднего давления
На рис. 63 изображена одна из разновидностей ламп среднего
давления, а ее спектр показан на рис. 56. Энергия лампы рас-
сеивается в значительно меньшем объеме, рабочие температуры
и давления много больше (около 1 атм), и спектры испускания
сильно отличаются от спектров ламп низкого 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 перепоглощается, так
как заселенность возбужденных уровней при этих давлениях
низка, и при многих длинах волн получается почти монохрома-
тический свет. Линии несколько уширены в результате столкно-
вений с другими атомами, а центральная часть резонансной ли-
нии 253,7 нм исчезает из-за самопоглощения (см. предыдущий
раздел). Об этих спектрах испускания необходимо сказать сле-
дующее. Во-первых, переход 63Р0-> 6!50 дважды запрещен [так
к это триплет-синглетный переход и, кроме того, это переход
170
ГЛАВА III
между двумя состояниями, имеющими одинаковый (равный ну-
лю) полный угловой момент], и в спектрах поглощения он не на-
блюдается. Состояние 3Р0, однако, заселяется за счет ударной
дезактивации состояния 3РЬ и, если не происходит активации
метастабильного состояния, атом остается в нем, пока не перей-
дет (с испусканием кванта 265,5 нм) в основное состояние. По-
скольку это не резонансная линия, то в лампе среднего давления
Рис. 63. Типичные формы ламп.
А —ртутная лампа низкого давления; Б — ксеноновая лампа высокого давления на 50Q Вт
В —ртутная лампа среднего давления на 100 Вт; Г —ртутная лампа сверхвысокого давле-
ния на 200 Вт.
она не перепоглощается и испускается с достаточной интенсив-
ностью (см. рис. 56). Во-вторых, в интервале 255—275 нм в
спектрах ламп среднего давления имеется некоторое число ли-
ний, а в спектрах ламп высокого давления в этом интервале ни-
какого излучения практически нет.
Некоторые интенсивные линии расположены близко друг к
другу, и для возбуждения они обычно выделяются вместе. (Они
не разрешены на нижнем спектре рис. 56, поскольку использует-
ся мелкий масштаб.) Примерами таких линий могут служить две
желтые линии 577,0—579,1 нм, группа трех линий 365,0—366,3 нм,
группа линий около 313 нм и группа линий 297—303 нм. Для
большинства целей такие группы можно считать достаточно
монохроматичными, но при некоторых точных работах, где не-
обходимо определять скорость поглощения света веществом,
имеющим крутую кривую поглощения в области одной из групп,
возникают некоторые трудности (см., например, раздел IV, А, 5).
Особая трудность возникает в случае ламп высокого давления,
потому что, кроме всего прочего, линии сильно расширены и ин-
тенсивность континуума значительно больше.
АППАРАТУРА И МЕТОДЫ ЭКСПЕРИМЕНТА
171
Многие продажные лампы среднего давления мощностью
100—200 Вт питаются от сети переменного тока 240 В с индук-
тивностью, включенной последовательно. Однако они могут ра-
ботать и от постоянного тока с балластным сопротивлением по
схеме, показанной на рис. 61 для ламп высокого давления. Рабо-
тать с переменным током удобнее, и, поскольку световой поток
при питании лампы среднего давления переменным током доста-
точно стабилен, обычно используют этот метод. Необходимо,
однако, помнить, что все дуговые 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 долгоживущей люминесценции с помощью спектро-
фосфориметра с прерывателем света источник модулированного
света неприемлем, и в этом .случае желательно использовать по-
стоянный ток или выпрямленный переменный трехфазный ток.
7. Ртутные лампы высокого 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
случае 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 высокого давления. Они
состоят из небольшой кварцевой колбы с двумя мощными элек-
тродами и имеют сравнительно небольшую длину дуги; по кон-
струкции эти лампы похожи на ксеноновые лампы, описанные
ранее. Дуга в этом случае занимает’ малый объем, и за счет этого
достигается очень высокая удельная яркость. Некоторые лампы
имеют третий электрод для поджига, 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 высокого давления (см. табл. 14) ана-
логичен по форме спектру ламп сверхвысокого 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 двух-, так и трехэлектродные лампы, работающие на пе-
ременном токе, имеют дроссель, который включается последова-
тельно, но в этом случае дуга нестабильна. Она колеблется от од-
ной точки электрода к другой, и при фокусировании ее на входную
щель монохроматора выходной пучок света флуктуирует
172
ГЛАВА Ш
в широких пределах. Более высокая стабильность достигается
использованием постоянного тока с балластным сопротивле-
нием. Двухэлектродные лампы обычно продаются со специаль-
ным пусковым устройством, которое дает импульс высокого
напряжения на электроды поджига лампы. Несколько другая
схема приведена на рис. 61. В цепи имеется небольшой дроссель.
Лампа начинает работать на переменном токе, а через несколько
секунд переключается на постоянный ток. Этот способ приме-
нялся автором в течение ряда лет с лампой такого типа на 1 кВт.
Для получения высокой стабильности и долговечности лампы
подбирается такое балластное сопротивление, чтобы на лампе
выделялась мощность около 700 Вт. При этом выход света
уменьшается почти вдвое, но зато достигается высокая стабиль-
ность и долговечность лампы. Лампы, предназначенные для ра-
боты с постоянным током, на переменном токе не работают, и по
вопросу включения в цепь переменного тока следует проконсуль-
тироваться с изготовителями. Трехэлектродные лампы, включен-
ные в сеть постоянного тока (120 В), зажигаются подачей на-
пряжения от трансформатора Теслы к третьему электроду. В та-
ком случае источник переменного тока и дроссель, указанные на
рис. 61, не нужны.
8. Лампы, содержащие другие элементы
Для калибровки спектрометров, определения показателя пре-
ломления и других целей широко используются натриевые лам-
пы. В спектрофлуориметрии они применяться не могут, 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 немного больше, чем размеры ртутных
ламп среднего давления на 125 Вт (см. табл. 14), и поскольку
интенсивности линий меньше, чем у ртутной лампы (ср. табл. 16
и рис. 56), они применяются только тогда, когда не может быть
использована ни одна из ртутных линий. Лампы среднего и вы-
сокого давления, содержащие ртуть помимо кадмия и (или) цин-
ка, наиболее часто используются в спектрофлуориметрии. Ком-
пактная лампа высокого давления, содержащая ртуть и кадмий,
описана Нельсоном [134]. Эти лампы работают на постоянном то-
ке. В табл. 17 приведено типичное для этих ламп 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 (/^Ли) и светосилы
АППАРАТУРА И МЕТОДЫ ЭКСПЕРИМЕНТА
173
Таблица 16
Интенсивности наиболее сильных линий или групп линий
кадмиевой и цинковой ламп на 25 Вт
Кадмиевая лампа Цинковая лампа
длина волны, нм интенсивность* 108, эйнштейн/(с«ср) длина волны, нм интенсивность-10®, эйнштейн/(с«ср)
643,8 0,8 636,2 0,6
508,6 2,1 481,0 1,9
480,0 2,0 472,21 о к
468,0/ Z,0
467,8 1,2
361,5)
361,3 0,9
361,1 J
346,81 0,7
346,6/
340,2 0,3 334,61 Л ГС
334,5/ и,о
330,3 0,6
328,2 0,2
326,11
325,3J 1,0
313,3 0,05
307,61 л Л
307,2/ и,о
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
2757J
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 общего испу-
скания источника в направлении собирающей линзы, т. е. он не
может быть больше Практически трудно создать такую
систему линз, которая собирает свет в пределах телесного угла,
равного 2л ср, поэтому мы предполагаем, что максимальная апер-
тура собирающей линзы (Li 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
<$мин FhlV3. (227)
174
ГЛАВА HI
Таблица 17
Относительные интенсивности линий
ртутно-кадмиевой лампы
высокого давления на 2,5 кВт
Элемент Длина волны, нм Относительная квантовая интенсивность
Cd 276 1
Cd-Hg 284/285 2
Cd-Hg 288/289 3
Cd-Hg 297/298 7
Hg 302 5
Cd 308 3
Cd-Hg 313 8
Cd 325/326 7
Hg 334 3
Cd 340 12
Cd 347 20
Cd 361 25
Hg 365/366 20
Hg 405/408 8
Hg 436 12
Cd 468 30
Cd 480 60
Cd 509 80
Hg 546 20
Hg . 577/579 20
Cd 644 100
При увеличении ширины щели наступает такой момент, когда
изображение источника уже не заполняет входную щель, и тогда
лимитирующим фактором становится ширина источника Ь. Ми-
нимальную ширину источника для данной максимальной щели
^макс можно также вычислить из уравнения (199), так как
b/s = w/h. (228)
Поэтому __
^мин == ^макс-^7 V"3 . (229)
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 сверхвысокого давления на 200 Вт нельзя сфоку-
сировать так, чтобы она полностью заполнила по высоте щель
монохроматора № 5 и удовлетворяла условиям оптимального
АППАРАТУРА И МЕТОДЫ ЭКСПЕРИМЕНТА
175
Таблица 18
Минимальные высота и ширина источника
Монохро- матор 5мин, мм WM3KC< мм ^мин, мм
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
освещения. Поэтому с монохроматором № 5 более эффективно
использовать лампу высокого давления на 1000 Вт.
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 (212) можно вычислить максималь-
ный световой поток при данной ширине полосы для любой ком-
бинации лампы и монохроматора. При использовании этих
уравнений светосилу монохроматора нужно умножить на его
пропускание, которое для решеточных приборов при некоторых
неблагоприятных длинах волн может снижаться до 0,1. Получае-
мые световые потоки значительно меньше вычисленных (см.
табл. 15), так как яркость источника неодинакова по его пло-
щади, и желательно расфокусировать изображение на входной
щели (см. раздел III, В, 6). В табл. 19 и 20 приведены примеры
световых потоков, попадающих на кювету флуориметра, которые
были получены с помощью монохроматоров или фильтров. Не-
обходимо сделать два замечания. Во-первых, интенсивности
Таблица 19
Световые потоки, проходящие через кварцевой призменный
монохроматор Яр 2
(светосила указана на рис. 51)
Длина волны, нм Полная ширина полосы [граничные проходящие длины волн (прибл.)], нм Световой поток* 109, эйнштейн/с
ртутная лампа высокого давле- ния на 700 Вт ксеноновая лампа на 375 Вт
436 473—406 14 4
405 435-381 8 2
366 390-350 15 1
313 329-302 5 0,3
248 243-253 0,8 0,02
176
ГЛАВА III
Таблица 20
Световой поток ртутных линий, выделяемых
с помощью монохроматоров или фильтров
Длина волны, нм Световой поток» 108, эйнштейн/с
А Б В
0,7
1,5
3,1
0,8
3,2
577/579
546
436
405
366
334
313
297/302
248 (полоса)
4,8
1,7
2,7
2,1
1,4
1,9
3,1
2,2
4,3
1,3
3,1
2,0
0,2
А. Большой кварцевый призменный моно-
хроматор (№ 5 на рис. 51) с ртутной лампой вы-
сокого давления на 700 Вт. Полуширина по-
лосы 10 нм при 300 нм.
Б. Решеточный монохроматор (№ 3 на рис. 51)
с ртутной лампой высокого давления на 200 Вт.
Полуширина полосы 10 нм.
В. Ртутная лампа среднего давления на 125 Вт
с фильтрами.
Примечан ие. Лампа низкого давления
на 100 Вт с длиной электродов 2 см каждый да-
вала световой поток ~3• 10~8 эйнштейн/с при
254 нм через диафрагму площадью 4 см2, рас-
положенную на расстоянии 2 см от лампы.
монохроматического света, получаемого от ртутной лампы с мо-
нохроматором № 2 (табл. 19), были значительно больше интен-
сивностей света ксеноновой лампы, хотя полуширина полос очень
велика и свет ксеноновой лампы немонохроматичен. Во-вторых,
для лампы данной мощности при использовании фильтров интен-
сивность ртутной линии больше, чем при использовании моно-
хроматора большой светосилы (табл. 20). Однако фильтрован-
ный свет содержал некоторую долю нежелательных длин волн:
2,5; 7,3; 12,7; 14,1 и 8,6% соответственно для длин волн, указан-
ных в четвертой графе табл. 20. Применение фильтров более де-
тально обсуждается в разделе III, Г.
11. Предосторожности при работе с источниками
ультрафиолетового излучения
Коротковолновый ультрафиолетовый свет даже малой интен-
сивности вреден для глаз, поэтому необходимо принимать меры
АППАРАТУРА И МЕТОДЫ ЭКСПЕРИМЕНТА
177
для защиты как от прямого света лампы, так и от света из вы-
ходной щели монохроматора. Необходимо иметь в виду, что при
работе в затемненной комнате в глаз попадает значительно боль-
шая доля окружающего света, и свет, проникающий через не-
большие отверстия в кожухах ламп, практически безвредный в
хорошо освещенной комнате, при продолжительном воздействии
в затемненной комнате 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 ве-
ществ флуоресцируют в коротковолновой фиолетовой части ви-
димого спектра, и фильтр из бесцветного стекла поглощает фио-
летовый свет почти полностью. Идеальным является стекло с
резким спадом поглощения около 380 нм. Пропускание стекол
для очков желательно проверять на спектрофотометре. Не сле-
дует смотреть прямо на источник ультрафиолетового излучения.
Защитные очки, используемые в этом случае, нужно также про-
верять на отсутствие пропускания инфракрасных лучей — темно-
зеленые стекла иногда имеют удивительно большое пропускание
в ближней инфракрасной области. При работе с интенсивными
источниками света необходимо защищать и кожу, так как можно
получить неприятные ожоги.
При обращении с лампами высокого давления необходима
осторожность, поскольку давление газа в них велико уже при
комнатной температуре, а в горячем состоянии лампу может
разорвать. Необходимо работать с защитным кожухом, и после
выключения его можно снимать только тогда, когда лампа осты-
нет. Кварцевые колбы ламп среднего и высокого давления нужно
по возможности меньше брать руками, так как загрязнения
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 погло-
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, во-вторых, сильно поглощает
в области длин волн короче 300 нм. Если лампа находится в ко-
жухе, охлаждаемом воздухом, то желательно уводить озон из
кб^куха 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 погло-
щении озона минимальны. Если, однако, интенсивность света
178
ГЛАВА III
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
Рис. 64. Два типа кожухов ламп, охлаждаемых водой.
типа А (рис. 64) обеспечивает более эффективное охлаждение и
пригоден для использования лампы на 1 кВт. Его, однако, труд-
нее изготовить, чем кожух типа Б,
Г. ФИЛЬТРЫ
1. Общие замечания
Фильтры можно использовать вместо монохроматоров боль-
шой светосилы или в сочетании с монохроматором для увеличе-
ния его эффективности. Фильтры применяются также для вы-
деления полосы возбуждающего 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 мож-
ро обойтись без монохроматоров.
АППАРАТУРА И МЕТОДЫ ЭКСПЕРИМЕНТА
179
В продаже имеются различные стеклянные и желатиновые
фильтры; подробное описание и кривые пропускания можно
найти в каталогах (например, Corning Glass Works, Corning,
New York; Chance-Pilkington, Glascoed Road, St. Asaph, Flint-
shire, U. K., England). Силл [135] определил кривые пропуска-
ния 88 стеклянных и желатиновых фильтров и 98 комбинаций
двух фильтров. Эти данные особенно полезны при изготовлении
системы фильтров для конкретного применения. В продаже
Рис. 65. Кривые пропускания фильтров, отсекающих коротковолновую
область.
/ — раствор метилвиолета в воде (0,02 г/100 мл), толщина 1 см (пропускает также свет
с длиной волны менее 460 нм); 2 —раствор родамина Б в воде (0,2 г/100 мл), толщина 1 см;
3 —раствор Na2Cr2O7*2H2O в воде (50 г/100 мл), толщина 1 см; 4 — раствор К2СГ2О7 в воде
(10 г/100 мл), толщина 1см; 5—раствор К2СГ2О7 в воде (0,5 г/100 мл), толщина 1 см;
3—раствор К2СГО4 в воде (0,1 г/100 мл), толщина 1 см; 7 —раствор 75 г NaNO2 в 100 мл
воды, толщина 1 см; 3 —раствор NaNO2 в воде (1 г/100 мл), толщина 1 см; 9 — 2 М раст-
вор KNO3 в воде, толщина 2 см; 10 —0,2 М раствор KNO3 в воде, толщина 2 см; // — раст-
вор бифталата калия в воде (0,5 г/100 мл), толщина 1 см; 12 — раствор CuSO4*5H2O в воде
(1,5 г/100 мл), толщина 1 см; 13 — раствор KI в воде (0,17 г/100 мл), толщина 1 см; 14 — 4 н.
раствор уксусной кислоты в воде, толщина 1 см.
можно также найти интерференционные фильтры, имеющие спе-
цифическую узкую полосу пропускания. Обычно их максималь-
ное пропускание значительно ниже, чем широкополосных фильт-
ров других типов. Кроме этого, стоимость набора интерферен-
ционных фильтров для измерений в широком интервале длин
волн приблизительно та же, что и небольшого решеточного моно-
хроматора, имеющего аналогичные 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
групп: отсекающие коротковолновую область и пропускающие
широкую полосу. Фильтры первой группы сделать очень легко,
так как большинство соединений имеют электронные спектры по-
глощения, простирающиеся от коротковолновой до длинновол-
новой области. Таким образом, концентрированные растворы
180
ГЛАВА Ш
большинства соединений можно использовать как односторон-
ние отсекающие фильтры. Если, однако, пропускание фильтра на
некотором участке коротковолновой области еще слишком вели-
ко, то необходимо добавить другой фильтр из вещества с сильным
поглощением в интересующей области, где поглощение первого
фильтра мало. На рис. 65 показаны кривые пропускания неко-
торых жидкостных отсекающих фильтров. Они приведены как
Рис. 66. Кривые пропускания широкополосных фильтров.
А —раствор СиС12«2Н2О в 8 н. НС1 (5 г/100 мл), толщина 1 см; Б —раствор CuSO4«5H2O
в 5 н. гидроокиси аммония (2,5 г/100 мл), толщина 1 см; В —раствор иода в четыреххлр-
ристом углероде (0,75 г/100 мл), толщина 1 см (также пропускает свет с длиной волны
более 650 нм); Г —стеклянный фильтр Чанса — Пилкингтона 0X7, толщина 2 мм (также
пропускает свет с длиной волны более 660 нм); Д — стеклянный фильтр Чанса — Пилкинг-
тона ОХ9А, толщина 3 мм (также пропускает свет с длиной волны более 680 нм);
В —раствор KCr(SO4)2*12H2O в 1,0 н. H2SO4 (15 г/100 мл), толщина 2 см (имеет интервал
с малым пропусканием в видимой области); Ж — хлор под давлением 1 атм в ячейке 4 см
из двуокиси кремния (также пропускает свет с длиной волны более 380 нм).
Вещества для фильтров в ультрафиолетовой области не должны содержать ионов
железа. Хромоалюминиевые квасцы лучше получать восстановлением дважды перекри-
сталлизованного КгСг2О7 этанолом с последующей перекристаллизацией.
пример, и желательно, чтобы исследователь сам измерил про-
пускание выбранного фильтра, особенно если необходим фильтр
с очень малым пропусканием при всех длинах волн короче дли-
ны волны отсекания. Изменяя концентрацию и (или) длину опти-
ческого пути, можно немного изменить длину волны полного
отсекания.
Труднее подбирать вещества для широкополосных фильтров,
так как для этого требуются соединения с большим интервалом
длин волн между первой и второй полосами поглощения с малым
коэффициентом экстинкции в этом интервале. Для видимой об-
ласти пригодны 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 выделять длины
волн ближней и средней ультрафиолетовой области и при этом
АППАРАТУРА И МЕТОДЫ ЭКСПЕРИМЕНТА
181
поглощать почти весь видимый свет. Там же приведена кривая
для одного газообразного (хлор) фильтра. Его изготовляют, 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 большого значения, и, если кювета была тщательно вы-
мыта и высушена перед заполнением, такой фильтр в течение
долгого времени сохраняет значение своего пропускания. Фильтр
толщиной 4 см отсекает все длины волн в интервале 285—385 нм.
Для изготовления фильтра с достаточно узкой полосой
пропускания обычно объединяют широкополосный фильтр про-
пускания, который имеет нужную длинноволновую границу
пропускания, с подходящим односторонним фильтром, отсекаю-
щим коротковолновую область. Ниже приводятся примеры та-
ких комбинаций.
2. Фильтры для выделения возбуждающего 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
ртутного спектра
(см. рис. 65 и 66)
Длина волны,
нм
Комбинация
фильтров
250+265
302 + 313 + 334 (немного)
313 + 334 (немного)
334
366
405 + 436
405
436
546 + 578
546
578
Ж + Г
Е
Е + 11
Е (1 см)+/0
Д + 9
Б + 8
В+ 8
Б+7
А (+5)
А + Н (+5)
А + 3
Примечание. Я — дидимовое стекло
Чанса— Пилкингтона толщиной 2 мм; оно пропу-
скает ~80% при 546 нм и ~1% при 578 нм.
ОХ9А или 0X7, 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)
182
ГЛАВА IИ
раствором сульфата меди в 0,1 н. серной кислоте, но этот раствор
сильно поглощает в области короче 320 нм. С помощью фильт-
ров, предложенных Калвертом и Питтсом в книге «Фотохимия»
[99], можно получить повышенную спектральную чистоту с
уменьшенным пропусканием (в некоторых случаях). В этой кни-
ге приведены подробные данные о спектральной чистоте и свето-
стойкости жидкостных фильтров для выделения линий ртутного
300 350 400 450 500 550
Длина волны, нм
Рис. 67. Пример использования фильтров для улучшения характеристик
монохроматора.
Флуоресценция минерального масла на бумаге при фронтальном освещении светом ртут-
ной лампы высокого давления (Л ~ 250 нм); 1 — выделяемая решеточным монохроматором;
2 —выделяемая решеточным монохроматором с комбинацией хлорного фильтра и
фильтра 0X7; 3 — аналогично 2, но с 1,5%-ным раствором CuSOv5H2O (толщина 1 см),
помещенным в пучок люминесценции.
спектра. Необходимо, однако, отметить, что если надо получить
высокие интенсивности возбуждающего света, то лучше исполь-
зовать широкополосный фильтр пропускания для выделения двух
или нескольких близко расположенных линий ртутного спектра.
Это особенно верно по отношению к длинам волн короче 300 нм,
где интенсивность излучения лампы меньше, чем в длинноволно-
вой области. Для выделения линий 254 и 265 нм из спектра лам-
пы среднего давления используют комбинацию газообразного
хлора и стеклянного фильтра ОХ7. Из спектра излучения лампы
высокого 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 используют в сочетании с решеточным монохрома-
тором для получения возбуждающего света коротковолновой об-
ласти с минимальной примесью света более длинных волн. Этот
АППАРАТУРА И МЕТОДЫ ЭКСПЕРИМЕНТА
183
случай показан на рис. 67. На рисунке изображен спектр испу-
скания смазочного масла, адсорбированного на фильтровальной
бумаге, при фронтальном освещении. Как видно, количество све-
та, рассеянного образцом, довольно значительно и небольшая
доля рассеянного света всех длин волн, проходящего через реше-
точный монохроматор, налагается на спектр испускания образца
(кривая /). Использование комбинации хлорного и 0X7 фильт-
ров в сочетании с монохроматором позволяет избавиться от
этого наложения (кривая 2). При измерениях с очень высокой
чувствительностью рассеянный свет из решеточного монохрома-
тора является существенным даже в случае растворов при облу-
чении под прямым углом. Такой пример приведен на рис. 150
(гл. V).
Иногда для того, чтобы удалить спектры второго порядка
возбуждающего света, выделяемого решеточным монохромато-
ром, приходится использовать фильтр. Например, если монохро-
матор установлен на пропускание линии возбуждающего света
около 500 нм, то через монохроматор будет проходить также не-
большая доля света с длиной волны 250 нм. Этот свет можно
удалить подбором соответствующего отсекающего фильтра, на-
пример для удаления света с длиной волны 250 нм используют
обычную плоскую стеклянную пластинку.
В некоторых случаях необходим фильтр с большой эффектив-
ностью. Например, при определении бенз-(а)-пирена в заморо-
женном кристаллическом н-октане (см. раздел V, Д, 8) большая
доля возбуждающего света проходит в анализирующий моно-
хроматор, и при использовании фильтра ОХ9А толщиной 3 мм
для выделения линии 366 нм возбуждающего света возникает
большая фоновая люминесценция из-за небольшого пропускания
этого фильтра при длине волны 405 нм. Пропускание на длине
волны 405 нм уменьшается до приемлемого 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, используемого для
выделения полосы флуоресценции, является поглощение возбуж-
дающего света, рассеиваемого образцом. Фильтр не должен
флуоресцировать, иначе будет регистрироваться большой сигнал
посторонней флуоресценции фильтра. По этой причине многие
стеклянные и желатиновые фильтры неудобны и им следует
предпочесть неорганические жидкости в нефлуоресцирующей
кювете. Для поглощения рассеянного возбуждающего света ча-
сто достаточно подобрать фильтр, отсекающий коротковолновую
область; для этой цели пригодны фильтры, кривые поглощений
184
ГЛАВА III
которых показаны на рис. 65. Такие фильтры часто используют
для измерения спектра возбуждения раствора, содержащего
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 ве-
ществ лучше всего проводить, выделяя различные полосы флуо-
ресценции монохроматором.
При измерениях с высокой чувствительностью иногда необ-
ходимо использовать фильтры для увеличения эффективности
анализирующего монохроматора. Например, спектр второго по-
рядка, проходящий через решеточный монохроматор, может вы-
зывать нежелательный сигнал рассеянного света/Так, на кри-
вой 2 (рис. 67) пик при ~ 500 нм вызван рассеянным возбу-
ждающимеветом с длиной волны ~ 250 нм, проходящим в ана-
лизирующий монохроматор во втором порядке спектра. Его
можно удалить (см. кривую 3 на рис. 67) с помощью фильтра
из сульфата меди (12 на рис. 65), который поглощает свет
250 нм, но пропускает свет с длиной волны более 300 нм.
Если необходимо измерить спектр слабой люминесценции
в одной спектральной области в присутствии очень интенсивной
люминесценции в другой спектральной области, то желательно
использовать фильтр, поглощающий 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 поглощения света замедленная флуорес-
ценция может быть в 1000 раз менее интенсивной, чем фосфо-
ресценция. При высокой чувствительности небольшое количество
рассеянного света зеленой фосфоресценции вызывает большой
сигнал 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-
глощает зеленую фосфоресценцию, но пропускает ультрафиоле-
товую замедленную флуоресценцию.
4. Подбор фильтров для флуориметрии
Фильтр для выделения возбуждающего света (первичный
фильтр) и фильтр флуоресценции (вторичный фильтр) подби-
рают по принципу дополнительности, т. е. каждый фильтр погло*
АППАРАТУРА И МЕТОДЫ ЭКСПЕРИМЕНТА
185
щает свет, который пропускает другой. Пара таких дополнитель-
ных фильтров удобна для измерений со средней чувствитель-
ностью, и их просто изготовить. Например, если флуоресценция
возбуждается линией ртути при 366 нм и находится в голубой
области спектра, удобным первичным фильтром может быть ком-
бинация фильтра 9 (рис. 65) с фильтром Д (рис. 66). Такая ком-
бинация фильтров не пропускает свет с длиной волны более
400 нм, поэтому фильтр 7 (рис. 65) может служить удобным вто-
ричным фильтром. Аналогично, если для возбуждения исполь-
зуют линию ртути при 405 нм, то удобной будет комбинация
фильтров В + 8 (первичный фильтр) и фильтра 7 (вторичный
фильтр).
При работах с высокой чувствительностью с растворителями,
содержащими атомы водорода (вода, этанол, циклогексан), опи-
санные комбинации фильтров создают большой фон за счет по-
лос комбинационного рассеяния растворителей (см. разделы
I, Д, 5 и V, В, 1). Так, основная рамановская полоса воды, воз-
буждаемая светом 366 нм, находится при 416 нм и для ее удале-
ния необходимо использовать более длинноволновый отсекаю-
щий фильтр, например фильтр 6. Аналогично, если для возбуж-
дения используется ртутная линия 405 нм, рамановская полоса
воды находится при 469 нм и нельзя использовать ни фильтр 7,
ни фильтр 6. Пример использования линии 405 нм для возбуж-
дения при работах с высокой чувствительностью приведен
в гл.У, где обсуждается подбор фильтров.
Д. ДЕТЕКТИРОВАНИЕ И ИЗМЕРЕНИЕ СВЕТА ФИЗИЧЕСКИМИ
МЕТОДАМИ
/. Типы фотодетекторов
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 измере-
ния флуоресценции и фосфоресценции (особенно низкой интен-
сивности) используется исключительно фотоумножитель из-за его
высокой чувствительности. Для измерения больших интенсивно-
стей,например в пучке света после монохроматора возбужде-
ния, иногда удобнее применять вакуумный фотоэлемент, а термо-
„ батарея обычно используется как первичный стандарт для абсо-
лютных измерений излучения. Ниже будут рассмотрены кон-
струкция и принцип работы всех трех типов детекторов.
Следует упомянуть вкратце и о некоторых других типах фото-
элементов. Фотосопротивления изготовляют из кристаллического
полупроводникового материала с большим сопротивлением в
темноте. При облучении светом электроны возбуждаются в зону
186
Глава iti
проводимости и проводимость увеличивается. Такие фотосопро-
тивления могут работать в инфракрасной области. Фотовольта-
ические ячейки имеют то преимущество, что они превращают
энергию видимого света в напряжение, достаточное для измере-
ния гальванометром или микроамперметром, поэтому не требует-
ся внешнего источника питания. Они обладают, однако, малой
чувствительностью и их сигнал линеен только в узком интервале
интенсивностей. Действие газонаполненного фотоэлемента ана-
логично действию вакуумного (см. ниже) и основано на эмиссии
электронов с фоточувствительного катода, облучаемого светом.
При движении к аноду под действием приложенного напряже-
ния электроны сталкиваются с атомами аргона и вызывают
ионизацию. Получаемые таким образом вторичные электроны
могут вызывать дальнейшую ионизацию, и первичный фототок
умножается в 10 или 20 раз. Газонаполненные фотоэлементы
менее устойчивы и менее долговечны, чем вакуумные.
Кроме этих трех типов фотодетекторов, имеются еще два при-
способления, которые иногда 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 поглощает все попадающее на нее излучение и
превращает его в тепло. В результате этого возрастает темпера-
тура термопар по отношению к холодному спаю, защищенному
от облучения, и возникающая разность потенциалов пропорцио-
нальна интенсивности падающего излучения. Конструкция тер-
мобатареи схематически показана на рис. 68, Л. 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, защищенными 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 того, 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 легким перемещениям воздуха. Однако
АППАРАТУРА И МЕТОДЫ ЭКСПЕРИМЕНТА
187
дрейф нуля сильно уменьшается, если поверхность термобата-
реи закрыть кварцевой пластинкой. Значительно более высокой
стабильностью и повышенной чувствительностью обладают ва-
куумные термобатареи. Приемники подвешиваются на тонких
соединительных проволочках. Поэтому при механическом ударе
термобатарею легко повредить, и обращаться с нею надо очень
осторожно.
Абсолютную калибровку разности потенциалов термобатареи
в единицах падающего лучистого потока можно выполнить одним
из двух методов. Первый метод состоит в калибровке по излуче-
нию абсолютно черного тела при известной температуре, которое
рассчитывается по закону Стефана [получаемого интегрирова-
нием формулы Планка, уравнение (224)]:
А. Общая схема
Облучение
Скорость испускания полного излучения=
= 5,670 • 10~5Т4 эрг/(см2 • с). (230)
Во втором методе применяют термобатарею, специально скон-
струированную таким образом, что чувствительные элементы
можно нагреть, пропуская че-
рез проводник, прикреплен-
ный к элементам, электриче-
ский ток. Термоэлектродвижу-
щая сила, получаемая таким
способом, связана прямым со-
отношением с известной ско-
ростью потерь электрической
энергии на нагревание 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 этого
калиброванную стандартную
лампу, которая дает извест-
ный полный световой поток на
определенном расстоянии. По-видимому, лучше всего иметь как
стандартную лампу, так и калиброванную термобатарею, и про-
верять один метод другим.
Данные калибровки выражают в милливольтах напряжения,
возникающего при облучении термобатареи однородным пучком
света мощностью 1 Вт на 1 см2. Термобатарея — это низкоомный
источник небольшой разности потенциалов, поэтому в качестве
детектора необходимо использовать низкоомный гальванометр
। ।
Н-----Термо-э.д.с.-->1
Б.Калибровка комбинации
термобатарея- гальванометр
Рис. 68. Термобатарея.
188
ГЛАВА III
высокой чувствительности. Электродвижущую силу можно опре-
делить непосредственно с помощью прецизионного потенциомет-
ра, но иногда удобнее (хотя точность при этом снижается) ис-
пользовать гальванометр. Для этого необходимо, во-первых, про-
калибровать цепь термобатарея — гальванометр 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 гальванометра.
Процесс повторяют с несколькими различными световыми пото-
ками и, зная среднее значение величины (мм отклонения/мкВ) и
известные калибровочные данные термобатареи [мВ/(Вт« см2)],
определяют искомую константу системы термобатарея — гальва-
нометр (мкВт/см2 на 1 мм отклонения).
Типичная чувствительность небольшой 18-парной термобата-
реи с чувствительной площадью 0,3 см2 составляет 60 мВ для све-
тового потока 1 Вт/см2. При сопротивлении термобатареи 25 Ом
на гальванометре, 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/см2. При этих усло-
виях минимальный световой поток, который можно измерить,
составляет приблизительно 10 мкВт/см2, или 3-10“п эйнштейн/
/(с-см2) при 400 нм (1 эйнштейн/с = 1,196- 1014Д мкВт, где X —
длина волны в нанометрах). Последняя величина соответствует
приблизительно 10“и эйнштейн/с, попадающим на чувствитель-
ную площадь термобатареи. Для малых интенсивностей необхо-
димо использовать вакуумную термобатарею и более чувстви-
тельный гальванометр или гальванометр с усилителем. С по-
мощью небольшой вакуумной термобатареи высокой чувстви-
тельности, работающей при нормальных условиях, минимальный
измеряемый световой поток может достигать при 400 нм 10"14
эйнштейн/(с • см2) или 10“16 эйнштейн/с на площадь термобата-
реи. Измерения света малой интенсивности с помощью термоба-
тареи требуют особых мер предосторожности, однако проще ис-
пользовать для калибровки вакуумного фотоэлемента менее чув-
ствительную термобатарею с пучком света высокой интенсивности
и требуемой длины волны и затем этот фотоэлемент применять
для абсолютных измерений малых интенсивностей света.
В спектрофлуориметрии для прямых измерений абсолютных
интенсивностей света термобатарею используют редко. Ее при-
меняют главным образом для экстраполяции калибровочной кри-
вой, полученной с ферриоксалатным актинометром, в область
длин волн более 500 мкм, где актинометр непригоден. Методика
калибровки описана в разделе Ш, Е. .
АППАРАТУРА И МЕТОДЫ ЭКСПЕРИМЕНТА
189
Необходимо помнить, что термобатарея измеряет полную
энергию. Термобатарею нельзя применять для определения кван-
товой интенсивности полихроматического пучка, если неизвестно
спектральное распределение. При использовании термобатареи
для сравнения квантовой интенсивности двух пучков различных
длин волн необходимо вводить поправку. Так, если G< и G2— от-
клонения гальванометра для пучков света длин волн Xi и %2, то
относительная квантовая интенсивность
<?i/<?2==GAi/G2^ (231)
3. Вакуумные фотоэлементы
Вакуумный фотоэлемент состоит из откачанной стеклянной
или кварцевой колбы с двумя электродами. Катод представляет
собой покрытие из смеси металлов (иногда содержащей также
окиси металлов) на металличе-
ской пластинке или на поверх-
ности самой колбы. При попа-
дании света на катод фотоны
с энергией, 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-
А.Пршщип работы
Б. Простая цепь Ъля измерения
слабых интенсивностей света
ности падающего света, кото-
рый можно измерить с по-
мощью гальванометра или ми-
кроамперметра (рис. 69, Л).
При небольшом напряжении
электрическое поле вблизи ка-
тода недостаточно для того,
чтобы преодолеть отрицатель-
ный пространственный заряд,
и не вес фотоэлектроны соби-
раются на аноде. При напря-
жении выше 25 В все элек-
троны собираются на аноде, И Рис. 69. Вакуумный фотоэлемент,
возникающий ток существенно
не зависит от приложенного напряжения. При этих условиях ва-
куумный ^фотоэлемент представляет собой прибор, позволяющий
измерять интенсивность света с высокой воспроизводимостью.
Даже при энергиях фотона выше порога, соответствующего
работе выхода, квантовый выход фотоэмиссии (число электронов^
190
ГЛАВА III
испускаемых на 1 квант) меньше единицы, так как часть света
поглощается на довольно больших глубинах и выбивания фото-
электронов не происходит. Кривые на рис. 70 показывают изме-
нение квантового выхода выше порога (см. [138]). Видно, что
квантовый выход некоторых типов фотокатодов (например, трех-
щелочных, тип S20) достигает значения около 0,2 в интервале
Рис. 70. Спектральная чувствительность различных фотокатодов [138],
----стеклянное окно;----окно из тонкого стекла, пропускающего УФ-свет; .... окно
из плавленого кварца.
длин волн, отвечающих максимальной чувствительности. Чув-
ствительность такого фотоэлемента в этом спектральном интер-
вале можно легко вычислить, так как поглощение 1 эйнштейна
квантов при квантовом выходе, равном 1, приведет к появлению
1 фарадея (96 500Кл) электронов. Следовательно, для такого
фотоэлемента 1 мкА фототока соответствует 10-6/0,2 • 96 500 или
5-10"11 эйнштейн/с. При использовании гальванометра, имею-
щего чувствительность 2000 мм на 1 мкА, можно легко и точно
измерять интенсивности порядка 10"12 эйнштейн/с.
В противоположность термобатарее вакуумный фотоэлемент
является высокоомным источником тока, и этот ток можно уси-
АППАРАТУРА И МЕТОДЫ ЭКСПЕРИМЕНТА
1&1
лить, пропуская его через большое сопротивление, соединенное
с сеткой электрометрической лампы. В цепи, работающей от ба-
тареи, изображенной на рис. 69, 5, анодная цепь лампы вместе
с гальванометром играет роль нуль-индикатора для уравнивания
напряжения, падающего на нагрузочном сопротивлении L при
протекании через него фототока, и напряжения от калиброван-
ного потенциометра Р. При выключенном свете и установленном
на нуль потенциометре гальванометр устанавливают на нуль пу-
тем регулировки потенциометров анода. Затем световой затвор
открывают и гальванометр вновь устанавливают на нуль с по-
мощью калиброванного потенциометра Р. Напряжение на потен-
циометре Р пропорционально интенсивности света. Для измере-
ния очень малых интенсивностей света используют сопротивления
порядка 1012Ом. Чтобы не было изменения в чувствительности
и во избежание избыточного темнового 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 долгого времени. Предель-
ная чувствительность при сопротивлении Ю120м составляет ве-
личину порядка 10"15А. Фотометры, однако, чаще используют с
нагрузкой Ю10Ом или менее, при этом можно легко и точно из-
мерять фототоки величиной 10-13 А.
Более удобным (хотя и более дорогим) методом усиления
сигнала вакуумного фотоэлемента является усиление тока с по-
мощью высокоомного усилителя постоянного тока с током на
входе от Ю"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 III, Д, 5), оно обеспечивает более вос-
производимые результаты, чем фотоумножитель, если последний
не работает от стабилизированного источника высокого напря-
жения. Правда, чувствительность в этом случае меньше, чем
у фотоумножителя.
4. Фотоумножители
фотоумножитель — это по существу вакуумный фотоэлемент
с многократным усилением. Принцип работы фотоумножителя
схематически показан на рис. 71, А. Во многих типах фотоумно-
жителей чувствительный материал (РС) нанесен на внутреннюю
поверхность кварцевого окна в виде тонкого полупрозрачного
слоя. Вдоль трубки расположены вторичные электроды (дино-
ды) и собирающий электрод С. В простейшем варианте на
192
ГЛАВА III
мые из катода, ускоряются
А.
-300В -100В
фотокатод подается большой отрицательный потенциал по от-
ношению к земле, а потенциал динодов последовательно умень-
шается. Собирающий электрод соединен с землей через гальва-
нометр или другой детектор тока. Фотоэлектроны, выбивае-
электрическим полем до первого
динода, из которого они выби-
вают по два или более вторич-
ных электронов. Те в свою оче-
редь ускоряются до следующе-
го динода, где они выбивают
еще больше вторичных электро-
нов. Этот процесс продолжает-
ся вдоль цепи динодов, которая
может иметь до 15 каскадов уси-
ления, так что один фотоэлек-
трон приводит к появлению до
108 электронов, испускаемых из
последнего динода. Эти электро-
ны притягиваются собирающим
электродом (который имеет по-
тенциал земли, если фотоумно-
житель находится в темноте), и
возникающий при этом ток ре-
гистрируется гальванометром.
Здесь не обсуждается процесс
изготовления 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-изготовителем.
Темновой ток ограничивает чувствительность фотоумножи-
теля. Этот ток возникает в результате выброса электронов из
катода при термической активации или в результате радиоактив-
ного излучения, вызывающего люминесценцию баллона. Он зна-
чительно уменьшается при охлаждении фотоумножителя сухим
льдом или жидким воздухом. Это особенно важно для фотоумно-
жителей, предназначенных для работы в ближней инфракрасной
области (катоды типа S1, см. рис. 70). Такие фотоумножители
имеют катоды, покрытые веществом с малой работой выхода
(чтобы электроны могли выбиваться квантами света длинных
волн), но малая работа выхода автоматически приводит к боль-
Б,
Рис. 71. Фотоумножитель.
Л—принцип действия. Б—схема питания
(все сопротивления по 1 МОм).
АППАРАТУРА И МЕТОДЫ ЭКСПЕРИМЕНТА
193
шей тепловой активации. Лучше всего, очевидно, иметь один фо-
тоумножитель для измерений в ультрафиолетовой, видимой и
ближней инфракрасной областях. К сожалению, фотокатоды фо-
тоумножителей типа S1 имеют существенно меньший квантовый
выход по сравнению с
другими типами, и это, а
также неудобство охла-
ждения означает, что в
работах с большой чув-
ствительностью их следу-
ет использовать только
при измерениях в спект-
ральной области выше
800 нм. Для работ при
длинах волн до 800 нм ре-
комендуется фотоумножи-
тель E.M.I. 9558Q с фото-
катодом S20. Он имеет 11
каскадов и дает высокую
квантовую эффектив-
ность. При общем напря-
жении на фотоумножите-
ле 1800 В чувствитель-
ность составляет около
200 А/лм, а темновой
ток — лишь 0,002—0,01
мкА. Темновой ток сни-
жается охлаждением, но с
помощью этого фотоумно-
жителя можно проводить
фотолюминесцентные из-
мерения при большой чув-
ствительности и без охла-
ждения. При использова-
нии отсекающего фильтра
в коротковолновой обла-
а
в
г
Рис. 72. Электростатические системы ди-
нодов фотоумножителей [138].
а —система с фокусирующими динодами; б —мало-
габаритный фотоумножитель с фокусирующими
динодами; в— схема с динодами типа „жалюзи“;
г — фотоумножитель коробчатого типа.
сти можно применять 13-
каскадный фотоумножитель 6256 с фотокатодом типа S11
(рис. 70). Его максимальная чувствительность 2000 А/лм, а
темновой ток 0,1 мкА.
Чувствительность фотоумножителя можно менять в широком
интервале, изменяя напряжение, подаваемое на фотоумножитель
(рис. 71, А). 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
194
ГЛАВА III
в десять раз или более обеспечивает усилитель, с которого сиг-
нал фотоумножителя 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, од-
нако, что существует предельный ток фотоумножителя, выше ко-
торого 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 изготовлении 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-
и кожухом, который имеет нулевой потенциал, может
большой темновой ток, ибо электроны могут напра-
из динодов в место контакта и, ударяясь с большой
Приложенное напряжение
Рис. 73. Типичная кривая калибровки
чувствительности для 11-каскадного
фотоумножителя.
жителя
вызвать
вляться
скоростью о стекло, вызывать его фосфоресценцию. Ножки
в цоколе фотоумножителя обычно достаточно надежно удер-
живают его в панели, и в этом случае исключается контакт
с другими частями кожуха. С другой стороны, можно сделать
так, чтобы любой материал, находящийся в контакте с фотоум-
ножителем, имел тот же самый потенциал, что и катод. При
конструировании устройств, охлаждающих фотоумножитель, не-
обходимо принимать меры предосторожности, чтобы предотвра-
тить конденсацию влаги на контактах, находящихся под высоким
напряжением, а также на окошке.
5. Флуоресцентные счетчики квантов
Факт независимости квантового выхода большинства раство-
ров от длины волны возбуждения может быть практически ис-
пользован при конструировании приемника, сигнал которого про-
АППАРАТУРА И МЕТОДЫ ЭКСПЕРИМЕНТА
195
порционален квантовой интенсивности падающего света и не
зависит от длины волны. Для этой цели концентрация флуорес-
цирующего вещества должна быть достаточной для поглощения
всего падающего света во всем интервале длин волн в неболь-
шом (по сравнению с оптической толщиной I кюветы) слое
(рис. 74,Л). Поэтому возникающая флуоресценция проходит к
фотодетектору через приблизительно постоянный слой раствора.
Раствор, таким образом, играет роль фильтра возбуждающего
А. Принцип работы
Флуоресценция
в передней части Концентрированный
кюветы .^раствор срлуоресци-
| рукпцего вещества
L
Свет
разных
мин волн
Фотодетектор
В. Регулирование пучка света
Рис. 74. Счетчик квантов флуоресценции.
света, и в то же время это гарантирует, что приемник регистри-
рует одну и ту же полосу флуоресценции независимо от глубины
проникновения пучка возбуждающего света. Харрисон и Лейтон
[139] использовали этот принцип при изготовлении фотографи-
ческих пластинок с постоянной спектральной чувствительностью
путем нанесения флуоресцентного машинного 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 г/л) в кювете толщиной 1 см для интер-
вала 252—366 нм. Мельюиш [141] рекомендовал раствор рода-
мина Б в этиленгликоле (3 г/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-
фоната натрия в воде (2* I0"2 /И) для интервала 200—400 нм.
196
ГЛАВА III •
Паркер [143] вмонтировал флуоресцентный счетчик квантов
в спектрофлуориметр для непрерывного измерения квантовой
интенсивности возбуждающего света. Это позволяет непосредст-
венно измерять исправленный спектр возбуждения, компенсиро-
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 вогну-
тым зеркалом R (см. рис. 74, Б) на кювету С, в которой происхо-
дит фотохимический или фотофизический процесс. Для регули-
рования светового потока, падающего на кювету С, разделитель
пучка В, представляющий собой прозрачную кварцевую пластин-
ку, помещают в пучок света под углом, при этом он отражает
часть света на флуоресцирующий экран F, от которого свет по-
падает в фотоэлемент или фотоумножитель Р. Если раствор F
подобран удачно (согласно условиям, описанным выше), то сиг-
нал фотоумножителя будет приблизительно 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. Если бы пучок света
был совершенно неполяризован при всех длинах волн, это не
имело бы никакого значения. Однако свет, выходящий из моно-
хроматора, особенно в случае решеточных монохроматоров, за-
метно поляризован, а степень поляризации может меняться с дли-
ной волны, следовательно, есть дополнительная причина для
изменения полной отражательной способности разделителя
пучка.
В счетчике квантов Паркера кювета расположена под углом
45° к пучку и флуоресценция регистрируется через ее заднюю
стенку в направлении, перпендикулярном направлению падаю-
щего света. Такое расположение имеет то преимущество, что
если падающий свет содержит небольшую долю «примесных»
длин волн, не поглощаемых счетчиком квантов, то фотоэлемен-
том они не регистрируются. В обычном варианте (рис. 74,4)
такие примеси приводят к большому фотосигналу и, следователь-
но, к значительной ошибке. Преимущество расположения кюветы
в счетчике Паркера также состоит в том, что, если монохрома-
тор случайно сканируется за пределами поглощения счетчика
квантов, фотоэлемент или фотоумножитель не подвергается об-
АППАРАТУРА И МЕТОДЫ ЭКСПЕРИМЕНТА
197
лучению светом большой интенсивности. Расположение экрана F
под углом имеет тот недостаток, что сигнал будет меняться в за-
висимости от поляризации падающего света. Однако поскольку
такая ошибка уже вносится разделителем пучка, то дополни-
тельная ошибка не имеет существенного значения и может даже
частично компенсировать первую. Ввиду подобных ошибок жела-
тельно калибровать счетчик квантов при нескольких длинах
волн. Это легко сделать с помощью ферриоксалатного актино-
метра (см. раздел III, Е). В качестве флуоресцирующего экрана
Паркер использовал кювету с оптической толщиной 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 интервале 2,2—
4,3 мкм"1 (~450—230 нм) относительный квантовый выход
флуоресценции меняется в пределах 10%, если для выделения
возбуждающего света использовать призменный 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 лучше
использовать актинометр, поскольку измерения с термобатареей
при этих условиях довольно утомительны. Раствор флуоресцеина
пропускает свет с длиной волны более 500 нм. Вместо флуорес-
цеина можно использовать раствор родамина Б соответствующей
концентрации, но для точных измерений его 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 области коротких
длин волн, использовав промежуточную калибровку счетчика
квантов. Если для фокусировки пучка применяется зеркало или
ахроматическая линза, то пространственное распределение лучей
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, № 7, (1968)] подробно описан счетчик фото-
нов на основе раствора родамина Б в этиленгликоле, пригодный для работы
в области 250—600 нм. Используя прием изменения расстояния от кюветы
с раствором родамина Б до фотоумножителя, удается перекрыть диапазон
потоков от 2- 1010 до 1,6* 1015 квант/с. Чувствительность сохраняется постоян-
ной с точностью ±2% в течение 2 мес. Автор считает, что этот детектор в
той области, где применим и ферриоксалатный актинометр (см. ниже), удоб-
нее и чувствительнее последнего. — Прим. ред.
198
ГЛАВА III
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 относительного спектрального распределения
пучка, не используя разделитель пучка и не калибруя его (на-
пример, как на рис. 74,А), то примеси посторонних длин волн
можно избежать, перемещая фотоэлемент или фотоумножитель
слегка в сторону от оптической оси. В этом случае прямой про-
ходящий луч света регистрироваться не будет. Если флуоресци-
рующий экран остается перпендикулярным падающему лучу, то
изменение поляризации луча не будет вносить ошибки. Во-вго-
рых, для получения воспроизводимых результатов родамин Б или
другое флуоресцирующее вещество должно быть тщательно очи-
щено. Если присутствуют небольшие^ количества примесей, по-
глощающих в области, где поглощение выбранного соединения
мало, эти примеси будут поглощать значительную долю падаю-
щего света и квантовый выход будет зависеть от длины волны.
Е. ХИМИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЯ СВЕТА
1. Преимущества химических актинометров при
измерениях лучистой энергии
Интенсивность света можно измерить в абсолютных единицах
по скорости фотохимического превращения, производимого све-
том. Такой химический метод имеет ряд преимуществ перед фи-
зическими методами, использующими калиброванные термобата-
реи или фотоэлектрические приспособления. Применение идеаль-
ной 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 его
квантового выхода. Такой актинометр может служить в качестве
простого лабораторного стандарта для абсолютных измерений
излучения.
б) Актинометр является интегрирующей системой и автома-
тически регистрирует общую дозу излучения за время экспози-
ции независимо от того, остается интенсивность света постоянной
или имеет большие флуктуации.
в) Подбирая форму и размер кюветы, можно добиться того,
что актинометр будет поглощать пучок света любой формы, не-
зависимо от того, сколь велико его расхождение или неоднород-
ность.
г) Если квантовый выход не зависит от длины волны, идеаль-
ный актинометр можно использовать в качестве счетчика квантов
полихроматического пучка.
АППАРАТУРА И МЕТОДЫ ЭКСПЕРИМЕНТА
199
2. Ферриоксалатный актинометр
Идеальный химический актинометр должен удовлетворять
следующим основным требованиям: а) постоянный квантовый
выход и сильное поглощение света в широком интервале длин
волн, интенсивностей и общей дозы излучения; б) высокая чув-
ствительность и точность, простота работы и доступность хи-
мических составляющих. Ферриоксалатный актинометр, предло-
женный Паркером и Хатчардом [144—147], отвечает этим требо-
ваниям в интервале длин волн 500—250 нм, и имеются указания,
что его можно использовать вплоть до 200 нм. Главным компо-
нентом актинометра является раствор ферриоксалата калия
КзГе(С2О4)з-ЗН2О в 0,1 н. H2SO4. В кислом растворе ферритри-
оксалатные ионы диссоциируют на моно- и диоксалатные комп-
лексы. При облучении светом происходят следующие реакции:
[Fe (С2О4)]+ Fe2+ + (С2О4)", (232)
(С2О4)- + [Fe (С2О4)Г -> 2СО2 + Fe2+ + (С2О4)2~. (233)
Возникающие при фотолизе двухвалентные ионы железа обра-
зуют комплекс с 1,10-фенантролином, и этот комплекс опреде-
ляется спектрофотометрически. Квантовый выход образования
Fe2+ точно определен, ц показано, что он незначительно изме-
няется в интервале 500—250 нм (табл. 22). Минимальная обна-
ружимая доза излучения составляет ~2*10“10 эйнштейн/мл при
обычных методах измерения, меньшую дозу 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
5-10'6 эйнштейн/мл, и, следовательно, дозу излучения можно
измерять в широком интервале. Квантовый выход постоянен
в интервале интенсивностей от 5-Ю'11 до 2-10~4 эйнштейн/
/(см2-с). Таким образом, актинометр можно использовать для
измерения как очень малых интенсивностей света, получаемых
после монохроматора, так и очень больших интенсивностей, полу-
чаемых в импульсной лампе.
Исходные реагенты и продукты фотолиза устойчивы в темно-
те, процесс измерения прост и его легко варьировать. Многосто-
ронность системы основана на том, что фотолизуемое вещество
сильно поглощает свет, а продукты фотолиза поглощают свет
слабо и накопление их не нарушает линейности, даже если под
действием света разлагается значительная часть исходного веще-
ства. Сильное и слабое разложение можно измерить с одинако-
вой точностью путем обычного разбавления перед спектрофото-
метрическими измерениями.
Ферриоксалатный актинометр используется как первичный
стандарт для актинометрических измерений во всех фотохимиче-
200
ГЛАВА III
Таблица 22
Квантовая эффективность ферриоксалатного актинометра
при 22° С
Длина волны, нм Значения, полученные Рекомендуе- мое значение
сравнением с уранил- оксалатным актинометром при помощи калиброван- ной термопары сравнением с ферриоксалат- ным актино- метром, калибро- ванным при 436 нм по термопаре
577/579 (0,15 М) 0,013 0,013
546 — — 0,15 0,15
509 — — 0,86 0,86
480 — — 0,94 0,94
468 — — 0,93 0,93
436 (0,15 АГ) — — 1,01 1,01
436 (0,006 М) 1,12 1,11 (1,Н) 1,11
1,07 а
405 1,14 1,16 1,13 1,14
365/366 (0,15 М) — 1,20 6 1,16 в 1,18
365/366 (0,006 М) 1,16 1,26 1,21 ]
1,20 а 1,26 6 > 1,22
361/366 — — 1,22 J
334 1,25 — 1,21 1,23
313 1,23 — 1,24 1,24
297/302 1,24 — — 1,24
254 1,22 — 1,29 1,25
1,25 а
Примечания. Результаты взяты в основном из работы Хатчарда и Паркера (146];
концентрация ферриоксалата калия 0,15 М для длин волн 579—436 нм и 0,006 М для длин
волн 436—254 нм. Результаты для длин волн 436 нм и 365/366 нм приведены для двух кон-
центраций.
Результаты, отмеченные индексом , получены Ли и Селигером [148] для концентра-
ций ферриоксалата калия 0,15 и 0,006 М. Результаты с индексом а получены Баксендэй-
лом и Бриджем [149], которые использовали несколько иную методику.
Рекомендуемые значения при 361/366 несколько отличаются от ранее полученных [146]
с учетом дополнительных данных Ли и Селигера. Величина с индексом в определена по
значению при 366 нм и концентрации ферриоксалата 0,006 М (Ф принято равным 1,22).
ских лабораториях. Он широко применяется в фотолюминесцент-
них исследованиях, поэтому целесообразно дать подробное опи-
сание его использования.
3. Приготовление актинометрического раствора,
выбор концентрации и оптической толщины слоя
Чистый ферриоксалат калия можно легко приготовить сме-
шиванием трех объемов 1,5 М раствора оксалата калия с одним
объемом 1,5 М раствора хлорного железа при сильном переме-
шивании. Осадок ферриоксалата калия трижды перекристалли-
зовывают из теплой воды, отсасывают и сушат в токе воздуха при
АППАРАТУРА И МЕТОДЫ ЭКСПЕРИМЕНТА
201
45° С. Все операции нужно проводить при желтом свете. Состав
соли соответствует КзЕе(С2О4)з • ЗН2О. Актинометрический
0,006 М раствор приготовляют растворением 2,947 г соли в 800 мл
воды. Затем добавляют 100 мл 1 н. серной кислоты, доводят
объем раствора до 1 л и перемешивают. 0,15 М раствор приго-
товляют аналогичным способом, используя 73,68 г соли ферриок-
салата.
Актинометрические растворы можно приготовить, смешивая
стандартные растворы оксалата калия и сульфата железа. Кван-
товый выход при 366 нм мало зависит от избытка нейтрального
Рис. 75. Поглощение света растворами ферриоксалата [146].
Кривые 1а, 10а, 50а соответствуют 0,006 М раствору ферриоксалата калия в 0,1 н. серной
кислоте с оптической толщиной 1, 10 и 50 мм соответственно. Кривые 16, 106 и 506 соот-
ветствуют 0,15 М раствору ферриоксалата калия в 0,1 н. серной кислоте при тех же значе-
ниях оптической толщины.
электролита, и это, по-видимому, справедливо и для других длин
волн. Однако лучше использовать чистый ферриоксалат калия,
поскольку в этом случае получается очень хорошее стандартное
вещество. Его легко получить в чистом состоянии, известен его
точный состав, и в темноте он хранится довольно долго.
Слой 0,006 М раствора толщиной 1 см поглощает 99% или
более света с длиной волны до 390 нм. Его можно использовать
для длин волн до 430 нм (поглощение около 50% на 1 см). Для
более длинных волн удобней использовать 0,15 М раствор. На
рис. 75 показана доля света, поглощаемого двумя растворами
при различной толщине слоя. Этот график можно использовать
при подборе концентрации и размера кюветы. В том случае,
когда поглощение света неполное и необходимо получить очень
точные результаты, рекомендуется непосредственно измерять
долю света, поглощенного в слое жидкости, используя тот же са-
мый источник света, так как доля поглощенного света изменяется
С температурой и зависит от спектральной чистоты светц,
202
ГЛАВА III
Если доля света, прошедшего через раствор, велика, необхо-
димо ввести небольшую поправку на отражение света от задней
и передней стенок кюветы (приблизительно 4—5%). Если t —
пропускание раствора ферриоксалата, то долю падающего света,
поглощенного ферриоксалатом, можно выразить так:
fa = 0,95 [(1 ~/)(1+ 0,05/)]. (234)
В некоторых экспериментах интересуются скоростью погло-
щения света содержимым кюветы. Тогда доля поглощенного
света равна (1 — t) (1 + 0,05/). Если t велико и доля разложи-
вшегося ферриоксалата большая, то нужно использовать сред-
нюю величину пропускания. В этом случае лучше применять бо-
лее концентрированный раствор или большую толщину раствора
так, чтобы степень разложения и доля прошедшего света умень-
шились.
В темной комнате актинометрические растворы хранятся в
сосуде из желтого стекла в течение долгого времени. Значения
«фона», полученные описанным ниже методом, равны соответ-
ственно 0,01 и 0,025 на 1 см для 10 мл 0,006 М или 0,15 М рас-
твора после реакции и разбавления до 20 мл.
4. Построение калибровочного графика для ионов
железа
Для построения графика необходимы следующие растворы:
а) раствор соли двухвалентного железа концентрации
0,4-10-6 моль/мл в 0,1 н. серной кислоте (приготовленный разба-
влением стандартного 0,1 М раствора FeSCh в 0,1 н. серной кис-
лоте); б) 0,1%-ный раствор моногидрата 1,10-фенантролина
в воде; в) буферный 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 мл приливают следующие
объемы раствора (а): 0,0; 0,5; 1,0 ... 4,5; 5,0 мл. Добавляют
0,1 н. серную кислоту в таком количестве, чтобы довести общее
количество кислоты до 10 мл 0,1 н. раствора серной кислоты.
Затем добавляют 2 мл раствора (б), 5 мл раствора (в) (пере-
мешивают после каждого 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 каждого раствора исправляют с уче-
том растворов, в которые не добавляли соль железа, и вычер-
чивают график зависимости оптической плотности раствора от
количества добавленного иона Fe2+.
С помощью спектрофотометра, аналогичною спектрофото-
метру «:Unicam-500» или «Unicam-бОО», было найдено, что рас-
твор, содержащий 1,81-10*6 моля иона Fe2+ в 20 мл, имеет опти-
АППАРАТУРА И МЕТОДЫ ЭКСПЕРИМЕНТА
203
ческую плотность 1,0 в кювете 1 см при 510 нм. Оптическая
плотность «фонового» раствора (не содержащего иона Fe2+)
была меньше 0,01, и график получался линейным. Было пока-
зано, что при использовании любого из вышеуказанных спектро-
фотометров калибровочный график не изменяется в течение не-
скольких лет. Учитывая это и тот факт, что график линеен, мож-
но по оптической плотности определять количество ионов Fe2+,
периодически проверяя калибровочный график. Если исполь-
зуется фотометр с фильтром, то получаются несколько иные зна-
чения оптических плотностей для измеряемого и контрольного
«фонового» растворов. Каким бы ни был используемый прибор,
исследователь должен иметь свой собственный калибровочный
график, автоматически учитывающий специфику прибора. «Раз-
ностная оптическая плотность» при 510 нм не зависит ог нали-
чия ферриоксалата калия и количества добавленного буфера
при условии, что объем последнего равен по крайней мере
половине объема 0,1 н. серной кислоты, присутствующей в рас-
творе (окончательное значение pH должно быть 3,5). После до-
бавления фенантролина реакция полностью заканчивается в те-
чение получаса. Перед измерением растворы можно хранить
несколько часов в темноте.
5. Методика актинометрии
Соответствующий актинометрический раствор облучают в те-
чение времени, необходимого для достижения концентрации иона
Fe2+ от 0,005-10-6 до 3-10"5 6 моля в 1 мл. (При облучении реко-
мендуется 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 взятого
объема актинометрического раствора (перемешивание после
каждого добавления). Добавляют воду до метки, перемешивают
и выдерживают 30 мин. Измеряют оптическую плотность при
510 нм в кювете 1 см или 4 см. Эти же операции повторяют и
с необлученным актинометрическим раствором. По «разностной
оптической плотности» рассчитывают или находят по графику
количество иона Fe2+. Используя величину квантового выхода,
указанную в табл. 22 [см. уравнение (5)], определяют дозу об-
лучения раствора. Если нужно, вводят поправку на поглощение
и вычисляют дозу облучения поверхности раствора. Для концен-
трации до 0,02-10-6 моля в 1 мл нужно брать 10 мл раствора и из-
мерение проводить в кювете толщиной 4 см. Для более высоких
концентраций необходимо такое количество раствора, чтобы
оптическая плотность в кювете 1 см составляла 0,1—0,8. Количе-
204
ГЛАВА Itl
ство разлагающегося ферриоксалата должно соответствовать
уменьшению концентрации не более чем на 0,005 М.
При измерении очень малых интенсивностей света желатель-
но, чтобы объем раствора был по возможности небольшим. Для
этой цели рекомендуется следующая несколько измененная ме-
тодика. 3 мл актинометрического раствора облучают в кювете
толщиной 1 см. К облученной жидкости добавляют 0,5 мл рас-
твора, содержащего 1,8 н. ацетата натрия и 1,08 н. серной кис-
лоты, а также 0,1% (вес/объем) моногидрата 1,10-фенантроли-
на. Измерение проводят в той же кювете, а предельная чув-
ствительность (отвечающая разности оптических плотностей
0,002) соответствует 6-10"10 моля Fe2+. Для пучков малой ин-
тенсивности и с очень малым поперечным сечением объемы мо-
гут быть еще меньше и измерения следует проводить в микро-
кювете *.
6. Замечания
Описанные выше операции являются, судя по опыту автора,
наиболее подходящими. Их можно, конечно, немного видоизме-
нять с учетом конкретных требований. Сравнительная нечув-
ствительность квантового выхода к составу раствора, интенсив-
ности света и к общей дозе облучения — основные преимуще-
ства ферриоксалатного актинометра. Если планируются суще-
ственные изменения в методике, то следует внимательно изучить
* Стоит упомянуть и о нескольких других актинометрах. Чувствитель-
ность уранилоксалатного актинометра [1] вдвое-втрое ниже, чем у ферриокса-
латного, но, по утверждению Портера и Волмана [2, 2а], использование хро-
матографа с пламенно-ионизационным детектором для определения СО делает
уранилоксалатный актинометр наиболее чувствительным. Система с солью
Рейнеке [3] удобна для работы в видимой области — от 315 до 750 нм; реак-
hv, Н2О
ция заключается в замене тиоцианат-иона водой: Cr(NH3)2(NCS)4-2-->
hv Н?О —
--------> Cr(NH3)2(NCS)3(H2O) + NCS ; квантовый выход варьирует от 0,27
до 0,31. Реакция фотовосстановления бензофенона бензгидролем (см. [4], гл. 6
и 10) предложена [5, 5а] в качестве основы для актинометра, уникальной осо-
бенностью которого является то, что его градуировка (т. е. определение кван-
тового выхода) легко осуществляется в ходе того самого эксперимента, в ко-
тором он используется (для этого нужно взять несколько растворов с разной
концентрацией бензгидроля), и поэтому исключаются ошибки из-за присут-
ствия примесей.
1. Discher С. A., Smith Р. F., Lippman /., Turse R., J. Phys. Chem., 67, 2501
(1963) (и ссылки в этой работе).
2. Porter К., Volman D. Н., Anal. Chem., 34, 748 (1962).
2a. Porter K., Volman D. H., J. Am. Chem. Soc., 84, 2011 (1962).
3. Wegner E. E., Adamson A. W., J Am. Chem. Soc., 88, 394 (1966).
4. Typpo H., Молекулярная фотохимия, изд-во «Мир», М., 1967.
5. Moore М. W., Hammond G. S., Foss R. P., J. Am. Chem. Soc., 83, 2789
(1961).
5a. Moore M. W., Ketchum M., J. Am. Chem. Soc., 84, 1368 (1962). — Прим, ped.
АППАРАТУРА И МЕТОДЫ ЭКСПЕРИМЕНТА
205
по оригинальным работам, какие изменения квантового выхода
при этом возможны.
Для точных работ необходимо предусмотреть перемешива-
ние жидкости во время облучения током азота. Однако ошибка
при использовании неоткачанного и неперемешиваемого рас-
твора составляет всего несколько процентов при условии пол-
ного поглощения во время облучения.
Все манипуляции с растворами ферриоксалата следует про-
водить в темноте. Допускается только освещение в течение не-
продолжительного времени с желтым фильтром, который не про-
пускает свет с длиной волны менее 550 нм, но даже слабый свет
электрической лампы заметно разлагает раствор.
Ж. УСИЛЕНИЕ И РЕГИСТРАЦИЯ СИГНАЛА ФОТОУМНОЖИТЕЛЯ
1. Измерения по точкам
Подавая сигнал с собирающего электрода 11- или 13-каскад-
ного фотоумножителя на чувствительный гальванометр
(2000 мм/мкА), как показано на рис. 71, Б, можно довольно
просто регистрировать флуоресценцию. Темновой ток фотоумно-
жителя E.M.I. 9558Q, работающего при напряжении 1800 В, вы-
зывает отклонение на гальванометре около 10 мм (эта величина
варьирует для разных фотоумножителей). Если гальванометр
правильно зашунтирован и благодаря достаточно большой по-
стоянной времени заметно снижаются флуктуации темнового
тока, то можно уверенно регистрировать интенсивности света,
соответствующие приблизительно Vs темнового тока. Такая схе-
ма проста, надежна и довольно чувствительна. При условии,
что используемый для возбуждения источник имеет постоянную
интенсивность, эта схема вполне пригодна для ряда измерений,
включающих измерение интенсивности при нескольких длинах
волн (например, определение неорганических компонентов после
химического разделения, см. гл. V). Как и во всех флуоресцент-
ных измерениях, желательно сравнивать интенсивность флуорес-
ценции неизвестного образца с интенсивностью флуоресценции
стандартного вещества, например бисульфата хинина (см. раз-
дел III, Л, 4). В этом случае автоматически компенсируются
медленные флуктуации интенсивности возбуждающего света
или напряжения питания фотоумножителя. Рекомендуется ис-
пользовать шунт гальванометра 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 соответствовать сиг-
налу фотоумножителя в 25 мкА. Для измерения больших интен-
сивностей света напряжение на фотоумножителе должно быть
206
ГЛАВА III
уменьшено: почти все продажные источники высокого напря-
жения имеют соответствующую регулировку. Полный спектр
флуоресценции определяется путем измерения отклонений галь-
ванометра при нескольких длинах волн (см. рис. 44). Спектр
возбуждения измеряют аналогичным образом, меняя длину
волны возбуждающего 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 много вре-
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 применять усилитель, увеличивающий сигнал фотоумно-
жителя (обычно от 0,002 до 1,0 мкА) до 1—2 мА. В продаже
имеется ряд усилителей постоянного тока, которые обычно имеют
несколько диапазонов чувствительности и регулировку постоян-
ной времени. Последняя особенно необходима при измерениях
с большой чувствительностью; если постоянная времени доволь-
но большая, например от 2 до 3 с, то большинство флуктуаций
темнового тока демпфируется и спектр получается более глад-
ким. Если необходимо получить полное разрешение, спектр нуж-
но записывать более медленно.
Для регистрации спектров можно использовать либо обыч-
ный пишущий миллиамперметр, либо более дорогой записываю-
щий потенциометр. Последний обычно надежнее и имеет то
преимущество, что его легко можно превращать в самописец,
регистрирующий отношение сигналов, как описано в следующем
разделе. На рис. 76 показана схема потенциометрического са-
мописца. Он состоит из потенциометра Р, скользящий контакт
которого прикреплен к перу и перемещается с помощью серво-
мотора. Измеряемое напряжение подается к точке / и через
серворегулятор к скользящему контакту. Серворегулятор фик-
сирует разбаланс между напряжением, поданным к точке /, и
напряжением с потенциометра Р, а сервомотор перемещает кон-
такт, связанный с пером, к точке на Р, в которой наступает ба-
ланс. Если сигнал фотоумножителя усиливается усилителем до
максимального значения 1 мА, то его подают на нагрузочное
сопротивление L, равное 100 Ом, на котором наблюдается мак-
симальное падение напряжения 100 мВ, что соответствует пол-
ному отклонению пера самописца. Необходимо, конечно, следить
за тем, чтобы полярность самописца была такой же, что и поляр-
ность сигнала после усилителя.
В некоторых случаях необходимо регистрировать спектры
быстрее, чем это возможно с самописцем, у которого перо про-
АППАРАТУРА И МЕТОДЫ ЭКСПЕРИМЕНТА
207
бегает 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 осциллограф. Анод
фотоумножителя можно непосредственно подсоединить к входу
осциллографа, поскольку осциллографы обычно имеют встроен-
ные усилители с регулируемым коэффициентом усиления. При
быстрой записи сигнала приходится примириться с большими
шумами и, следовательно, с меньшей чувствительностью, чем
Сигнал
от усилителя
е — —
/
L
(ЮООм)
регулятору
Сервомеханизм
для перемеще-
ния пера
Рис. 76. Включение потенциометрического 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 осциллограф не имеет никаких преимуществ перед самопис-
цем с записью на бумаге.
3. Автоматическая запись по двухлучевой схеме
Большинство разрядных ламп дает несколько неустойчивый
поток света, и при измерениях флуоресценции, возбуждаемой
такими лампами, необходимо тем или иным способом компен-
сировать колебания светового потока. Паркер [143] описал ис-
пользование для этой цели счетчика квантов с флуоресцентным
экраном. Он имеет то преимущество, что позволяет непосред-
ственно регистрировать исправленные спектры возбуждения флу-
оресценции. Это подробно описано в разделе III, К, 2. Мы опи-
шем здесь (рис. 77) удобную входную схему самописца, которую
можно использовать для регистрации отношений сигналов. Ба-
тарея, питающая потенциометр Р на рис. 76, отключена, и те-
перь через потенциометр Р проходит ток (приблизительно 1 мА)
от усилителя (А2 на рис. 77) сигнала счетчика квантов с флуо-
ресцентным экраном. (Схему можно превратить в однолучевую,
208
ГЛАВА III
присоединив батарею с помощью выключателя S.) Ток с уси-
лителя сигнала флуоресценции Ai проходит на землю через со-
противление равное 100 Ом, а падение напряжения на по-
следнем (максимум 100 мВ) подается на скользящий контакт
самописца. При такой схеме положение перемещаемого серво-
мотором скользящего контакта на потенциометре Р является
непосредственной мерой отношения напряжений на и Р и, сле-
довательно, мерой отношения анодных токов двух фотоумножи-
телей (РМ\ и РМ2). Изменение интенсивности возбуждающего
Сигнал
Рис. 77. Двухлучевая схема.
света вызывает одинаковое изменение сигналов с фотоумно-
жителей PAfi и РМ2у и, следовательно, это не влияет на поло-
жение пера потенциометра Р.
В схеме имеются два простых дополнительных приспособле-
ния. Первое представляет собой небольшое сопротивление (В),
включенное последовательно с нагрузочным сопротивлением L\
усилителя сигнала флуоресценции. Небольшой ток, пропускае-
мый через это сопротивление от специальной батареи, создает
падение напряжения, которое компенсирует темновой ток фото-
умножителя при работе с большой чувствительностью. Для вто-
рого усилителя такой компенсации не требуется, так как фото-
умножитель РМ2 всегда работает при сравнительно низкой чув-
ствительности и скомпенсировать темновой ток можно обычной
регулировкой установки нуля, имеющейся у усилителя. Второе
приспособление состоит из сопротивлений /?2 и /?з, которые поз-
воляют подавать на скользящий контакт небольшую долю сиг-
нала С Л2. Регулируя можно смещать нуль самописца, за-
АППАРАТУРА И МЕТОДЫ ЭКСПЕРИМЕНТА
209
метно не изменяя при этом регистрируемое отношение. Это осо-
бенно полезно при большой чувствительности, когда наблюдается
значительный шум пера.
Для Ai можно использовать усилитель переменного тока, и,
следовательно, необходимо иметь прерыватель возбуждающего
света такой частоты, на которую настроен усилитель. Такая
схема имеет несколько преимуществ. Во-первых, нет необходи-
мости в схеме для компенсации темнового тока, так как постоян-
ная составляющая темнового тока не проходит через усилитель.
Во-вторых, прибор нечувствителен к случайному свету, который
может частично проникать в кюветное отделение монохроматора
флуоресценции. В-третьих, прибор будет регистрировать коротко-
живущую флуоресценцию, но не будет регистрировать долго-
живующую фосфоресценцию, если не помещать прерыватель
в пучок фосфоресценции вместо пучка возбуждающего света.
Однако такая схема имеет и недостатки. Один из них — это не-
обходимость включать в оптическую схему прерыватель, а дру-
гой— это то, что половина возбуждающего света бесполезно
теряется в процессе прерывания света и общая чувствительность
уменьшается. Можно, однако, установить прерыватели в обоих
пучках, и в этом случае прибор можно использовать и как спек-
трофлуориметр, и как спектрофосфориметр (раздел III, Н, 1).
В этом случае последний недостаток устраняется.
4. Калибровка по чувствительности
Часто бывает необходимо сравнить интенсивности двух све-
товых потоков, различающиеся на несколько порядков, напри-
мер при измерении замедленной и быстрой флуоресценции
одного и того же жидкого раствора. Общую чувствительность
прибора можно изменять за счет усилителя или напряжения пи-
тания фотоумножителя (см. раздел III, Д, 4). Комбинируя оба
метода, можно получить большие изменения в чувствительности.
Так, предположим, что мы имеем усилитель 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-
вляет интервал чувствительности 104 (из рис. 73 видно, что это
соответствует изменению напряжения питания фотоумножителя
от 600 до 1800 В). Относительные величины диапазонов чув-
ствительности можно определить следующим образом. В кювет-
ное отделение помещают сильно флуоресцирующий раствор, ана-
лизирующий монохроматор устанавливают на длину волны, уда-
ленную от максимума спектра флуоресценции, устанавливают
на анализирующем монохроматоре узкие щели, выбирают
10-кратное усиление на усилителе и устанавливают напряжение
210
ГЛАВА III
на фотоумножителе 1800 В. Эти условия соответствуют общей
чувствительности 10000.
Ширина щели подбирается так, чтобы добиться отклонения
на всю шкалу самописца. Усиление усилителя затем снижается
до трехкратного и регистрируется отклонение. Отношение этих
двух положений пера самописца точно соответствует чувстви-
тельности нового 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 шкалу самописца.
Коэффициент усиления усилителя теперь снижают до единицы
и по показанию самописца определяют чувствительность нового
диапазона (приблизительно 1000). Эта процедура повторяется
при меньших напряжениях на фотоумножителе, так что полу-
чается ряд точных значений чувствительности, соответствующих
приблизительно 300, 100, 30, 10, 3, 1. Если используются стаби-
лизированные усилитель и источник высокого напряжения, эти
величины должны воспроизводиться в пределах нескольких про-
центов в течение длительного времени. Рекомендуется проверять
линейность в некоторых интервалах (особенно при малых чув-
ствительностях), помещая фильтры с известным пропусканием
в пучок возбуждающего света или измеряя интенсивность флуо-
ресценции нескольких растворов с известной концентрацией
флуоресцирующего вещества при таких условиях, для которых
известно, что интенсивность флуоресценции пропорциональна
концентрации.
3. ФАКТОРЫ, ОПРЕДЕЛЯЮЩИЕ ВЫБОР ГЕОМЕТРИЧЕСКОГО
РАСПОЛОЖЕНИЯ ОБРАЗЦА
/. Эффект внутреннего фильтра и тушение
Геометрическое расположение пучка возбуждающего света
и выбор направления наблюдения флуоресценции по отношению
к образцу остаются одними из наиболее спорных пунктов при
изготовлении спектрофлуориметров. Отчасти это обусловлено
разными назначениями приборов в каждом конкретном случае,
отчасти — различной чувствительностью используемых приборов,
а также и тем, что многие путают понятия тушения и эффекта
внутреннего фильтра.
Пренебрежение основными закономерностями последнего
приводило в недавнем прошлом к использованию неудобной
геометрии и к неправильной интерпретации получаемых резуль-
татов и было одной из причин того, что методика флуоресцент-
ных измерений была встречена некоторыми исследователями с
недоверием. Необходимо, следовательно, определить, что же
АППАРАТУРА И МЕТОДЫ ЭКСПЕРИМЕНТА
211
подразумевается под терминами тушение и эффект внутреннего
фильтра. Под тушением подразумевают все процессы, кото-
рые приводят к уменьшению квантового выхода флуоресцен-
ции или фосфоресценции. Эти процессы уже были обсуждены
в разделах I, Б, 1, I, В, 2, II, А,
II, Б и II, В. В этих процессах
поглощаемая люминесцирующей
молекулой энергия расходуется
безызлучательным путем. Это
внутренняя конверсия, интерком-
бинационная конверсия, перенос
энергии, а также дезактивация,
вызываемая столкновениями с
другими молекулами растворен-
ного вещества. 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
внутреннего фильтра предста- / 4 f
вляют собой методический арте- / ‘»F
факт. Они не влияют на первич- /
г
ные процессы испускания света
в
возбужденными молекулами, но
уменьшают наблюдаемую интен-
Р и с. 78. Методы освещения и
регистрации [150].
СИВНОСТЬ люминесценции за счет а и б-освещение под прямым углом;
g, g, в— фронтальное освещение; г— освеще-
поглощения либо возбуждающе- ние в линию.
го света, либо люминесценции
внутри исследуемого образца. Паркер и Рис [150] рассмотрели
два типа эффектов внутреннего фильтра: а) дополнительное
поглощение возбуждающего света и б) поглощение испускае-
мой люминесценции. Мы обсудим их при рассмотрении трех
основных типов расположения образца, показанных на рис. 78.
2. Эффекты внутреннего фильтра при освещении
под прямым углом
При освещении под прямым углом (а и б на рис. 78) воз-
буждающий свет (/о) проходит через образец под прямым углом
к" направлению, в котором наблюдается флуоресценция, и кю-
ветное отделение в этом случае располагается так, что на фото-
умножитель попадает только свет от освещенной жидкости, а не
от освещенных стенок кюветы (а на рис. 78). Преимущество
212
ГЛАВА III
такого расположения состоит в том, что примесь постороннего
света, возникающего при отражении света от стенок кюветы или
за счет флуоресценции самой кюветы, минимальна. Так как воз-
буждающий свет должен пройти через слой жидкости AD (тол-
щиной d), прежде чем он
достигнет участка, испуска-
ние из которого фиксируется
фотоумножителем, то интен-
сивность уменьшается в
10-nd раз, где D — полная
оптическая плотность на 1 см
раствора при длине волны,
используемой для возбужде-
ния. Расположение^ удооно
только для слабо поглощаю-
щих растворов. Если произ-
ведение Dd меньше 0,02
. (4,6% поглощения), то нет
необходимости вводить ка-
кие-либо поправки. При
больших значениях Dd необ-
ходимо вводить поправку на
долю возбуждающего света,
поглощаемого на отрезке
AD, а при сильно поглощаю-
щих растворах флуоресцен-
ция концентрируется около
передней стенки кюветы и
не попадает в фотоумножи-
тель. В этом случае фото-
умножитель не регистрирует
никакого сигнала и попра-
вочный коэффициент для Dd становится таким большим, что
не имеет смысла его использовать. Эффекты дополнительного
поглощения возбуждающего света можно уменьшить путем
регистрации испускаемой флуоресценции почти со всей ширины
кюветы, т. е. в слое между d\ и d2, как показано на рис. 78, б.
Если d\ мало, флуоресценцию можно регистрировать фотоумно-
жителем даже в сильно поглощающих растворах, хотя интенсив-
ность не будет пропорциональна концентрации с момента, когда
Dd2 превысит несколько процентов. Поправка к наблюдаемой
интенсивности флуоресценции (F) будет давать величину (Ео),
которая должна была бы наблюдаться в отсутствие эффекта
внутреннего фильтра [131]
°' 10“Drfi — 10“ Dd2 ‘
Рис. 79. Влияние избыточного погло-
щения возбуждающего света на спектр
возбуждения [150].
Раствор бисульфата хинина в 0,1 н. серной
кислоте при 20° С в кювете толщиной 1 см.
А — 1 мкг/мл; Б—10 мкг/мл (при пониженной
чувствительности); В — 100 мкг/мл (дальнейшее
снижение чувствительности). Кривые А, Б и
В —освещение под прямым углом. Кривая
Г—10 мкг/мл при фронтальном освещении и
оптической толщине 15 мм.
(235)
АППАРАТУРА Й МЕТОДЫ ЭКСПЕРИМЕНТА
213
Для значений Fq/F больше 3 коррекция становится неправиль-
ной.
В сильно концентрированных растворах наблюдается иска-
жение наблюдаемого спектра возбуждения флуоресценции. Так,
на рис. 79 при увеличении кон-
центрации бисульфата хинина
с 1 до 10 мкг на 1 мл (кривые
А и Б) высота основного мак-
симума возбуждения (соответ-
ствующего максимальному по-
глощению) уменьшается отно-
сительно слабого максимума с
меньшим волновым числом.
При более высоких концентра-
циях (кривая В) поглощение
возбуждающего света в основ-
ном максимуме возбуждения
становится таким большим,
что значительная часть флуо-
ресценции не регистрируется
фотоумножителем, если для
возбуждения используется
свет с волновым числом мак-
симума и наблюдаемый спектр
возбуждения имеет минимум
в этой точке. Остальная часть
спектра также искажается.
Искажение спектра возбу-
ждения может быть вызвано
наличием второго растворен-
ного вещества, имеющего
Волновое число возбуждаю-
щего света* ллклл~*
Рис. 80. Влияние второго поглощаю-
щего вещества на спектр возбужде-
ния [150].
сильное поглощение при неко-
торых длинах волн. Это осо-
бенно коварный эффект, так
как он может привести к не-
верной интерпретации спек-
тров возбуждения. Хорошим
примером этого может служить
Спектры возбуждения (при освещении под
прямым углом в кювете толщиной 1 см)
антрацена в этаноле (0,1 мкг/мл) в присут-
ствии бензола; А — 0%, Б — 0,05%, В и
Е — 0,125%, Г— 0,25%, Д — 0,5% бензола. Для
кривых А—Д анализирующий монохроматор
установлен на люминесценцию антрацена
(2,5 мкм""1); для кривой Е он установлен
на флуоресценцию бензола (3,6 мкм""1).
влияние различных концентраций бензола на основную полосу
возбуждения антрацена (рис. 80). Бензол флуоресцирует в ко-
ротковолновой области, далеко от полосы испускания антрацена.
Но первая полоса поглощения бензола перекрывается со второй
полосой поглощения антрацена (рис. 80, кривая Е — спектр воз-
буждения флуоресценции бензола). В отсутствие бензола разба-
вленный раствор антрацена дает истинный спектр возбуждения
(кривая Л). При увеличении концентрации бензола он погло-
214
ГЛАВА III
щает все возрастающую долю возбуждающего света, и это по-
глощение будет наибольшим в максимумах поглощения бензола.
При этих волновых числах испускание антрацена наименьшее и
на полосу возбуждения ан-
Волновое число света флуорес-
ценции, мкм4
Рис. 81. Влияние второго поглощаю-
щего вещества на спектр люминесценции
(освещение под прямым углом) [150].
Возбужден te при 2,73 мкм"1 (366 нм). Оптиче-
ская толщина для света флуоресценции 2,5 см.
Ширина полосы анализирующего кварцевого
монохроматора 0,01 мкм”1 при 2,0 мкм-1.
А —раствор 80 мкг/мл бисульфата хинина
в 0,1 н. серной кислоте при 20° С; Б —то же,
что и кривая А, плюс 0,12 М раствор хлорида
неодима и повышенная чувствительность для
компенсации тушения; В — спектральная чув-
ствительность анализирующей системы (фото-
умножитель типа 9558).
трацена налагается нечто
вроде перевернутого спектра
поглощения бензола. Кри-
вая В, например, ошибочно
может быть принята за
спектр возбуждения другого
неидентифицированного ком-
понента раствора. Чтобы из-
бежать таких ошибок, необ-
ходимо проверять спектр по-
глощения раствора перед
измерением спектра возбу-
ждения и, если необходимо,
разбавлять раствор до тех
пор, пока его оптическая
плотность не станет доста-
точно малой в интересую-
щем интервале длин волн.
Второй тип эффекта вну-
треннего фильтра связан с
поглощением света флуорес-
ценции-, это может быть по-
глощение избыточной кон-
центрацией растворенного
флуоресцирующего веще-
ства (самопоглощение) или
поглощение другим раство-
ренным веществом. При ос-
вещении под прямым углом
величину эффекта внутрен-
него фильтра можно рассчитать, если известна длина пути
света флуоресценции через жидкость и можно пренебречь вто-
ричным испусканием флуоресценции за счет поглощения пер-
вичной флуоресценции. Самопоглощение обычно влияет на ко-
ротковолновую часть полосы испускания флуоресценции, так
как в этой области происходит перекрывание полосы флуорес-
ценции с первой полосой поглощения (см. раздел I, Б, 1 и рис. 2).
Присутствие второго растворенного вещества, сильно погло-
щающего в области, где флуоресцирует первое вещество, есте-
ственно, будет давать искажение спектра испускания последнего.
На рис. 81 показано искажение спектра испускания бисульфата
хинина, вызываемое избыточным поглощением флуоресценции
АППАРАТУРА И МЕТОДЫ ЭКСПЕРИМЕНТА
215
хлоридом неодима. Основные пики поглощения хлорида неодима
в перевернутом виде ясно видны в спектре испускания Б. Этот
конкретный пример имеет чисто педагогическое значение, по-
скольку едва ли имеет смысл измерять спектр бисульфата хи-
нина в столь концентрированных растворах хлорида неодима,
хотя бы уже по той причине, что хлорид неодима сильно тушит
флуоресценцию совершенно независимо от эффекта внутреннего
фильтра. Неодим был выбран лишь для того, чтобы показать
сущность явления, поскольку он дает ряд резких полос погло-
щения. Высокая концентрация вещества, имеющего широкую
полосу поглощения, будет также давать сильное искажение.
3. Эффекты внутреннего фильтра при фронтальном
освещении
Эффекты внутреннего фильтра в некоторой степени менее
серьезны при фронтальном освещении (в на рис. 78). и основ-
ное преимущество такого расположения состоит в том, что
в этом случае можно измерять спектр испускания сильно по-
глощающего раствора. Интерпретация результатов требует осто-
рожности, поскольку и в этом случае может наблюдаться
сильное искажение как спектра возбуждения, так и спектра
испускания. В слабо поглощающих растворах при фронтальном
освещении, как и при освещении под прямым углом, спектры
возбуждения и спектры испускания не искажаются при всех
длинах волн (без учета наложения фона) и наблюдаемая ин-
тенсивность флуоресценции пропорциональна концентрации и
коэффициенту погашения [см. уравнение (21)]. Если концентра-
ция возрастает настолько, что доля поглощенного возбуждаю-
щего света становится значительной, то наблюдаемая интен-
сивность флуоресценции остается пропорциональной общей
скорости испускания флуоресценции, но последняя уже не яв-
ляется пропорциональной концентрации и коэффициенту пога-
шения. Она определяется теперь уравнением (18), и спектр воз-
буждения искажается. Как и в случае возбуждения под прямым
углом, наибольшее искажение происходит в той области, где
поглощение 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-
глощении возбуждающего света на всех длинах волн и в при-
сутствии только одного поглощающего вещества наблюдаемая
интенсивность флуоресценции не зависит от волнового числа
(если квантовый выход постоянен), и тогда спектр возбуждения
представляет собой прямую горизонтальную линию. Ясно, что
в этом случае он не может быть использован как критерий для
216
ГЛАВА III
идентификации. Эффект избыточного поглощения при фронталь-^
ном освещении виден на кривой Г рис. 79, где для концентра-
ции бисульфата хинина 10
Волновое число света
флуоресценции, мкм’1
мкг/мл главный максимум возбужде-
ния меньше, чем наблюдаемый
(при освещении под прямым уг-
лом) с разбавленным раствором
(кривая Л). Степень искажения
зависит также от используемой оп-
тической толщины слоя. Так, при
облучении под прямым углом в
кювете толщиной 1 см эффектив-
ная оптическая толщина 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 Г), чем освещение под
прямым углом (кривая Б на рис. 79).
Присутствие второго поглощаю-
щего вещества не влияет на погло-
щение до тех пор, пока общая доля
поглощаемого возбуждающего све-
Р и с. 82. Влияние второго
поглощающего вещества на
спектр люминесценции (фрон-
тальное освещение) [150].
А — 100 мкг/мл Ы-фенил-2-нафтила-
мина в бензоле с возбуждением при
2,73 или при 3,19 мкм-1; Б —то же,
что и кривая А, но в присутствии
40 мкг/мл нафтацена (возбуждение
при 2,73 мкм-1); В—то же, что и
кривая В, но с большим поглощением
возбуждающего света (3,19 мкм-1).
1 и 2 — соответственно поглощение и
и флуоресценция нафтацена. Ши-
рина полосы кварцевого анализи-
рующего монохроматора 0,1 мкм-1
при 2,0 мкм-1.
та мала, т. е. аналогично освещению
под прямым углом. При полном по-
глощении каждое растворенное ве-
щество будет поглощать некоторую
долю возбуждающего света, про-
порциональную его значению Z), и
если значение D для второго рас-
творенного вещества существенно
больше (а перенос энергии не име-
ет места), то флуоресценция перво-
го растворенного вещества будет
полностью погашена (но не поту-
шена). Простым примером этого яв-
ляется измерение спектра возбуж-
дения в растворителе, таком, как четыреххлористый углерод, ко-
торый полностью срезает половину ультрафиолетовой области.
В коротковолновой области спектр возбуждения падает до нуля.
Фронтальное освещение — это наилучший способ наблюде-
ния спектров флуоресценции концентрированных растворов, но
при этом также возможны существенные искажения спектров.
Например, на рис. 82 показано влияние добавления нафтаце-
на к раствору А^-фенил-2-нафтиламина. Возбуждающий свет
АППАРАТУРА И МЕТОДЫ ЭКСПЕРИМЕНТА
217
через толстый слой рас-
Волновое число света
флуоресценции
Рис. 83. Влияние самопогло-
щения на спектр флуоресцен-
ции (фронтальное освещение)
[150].
Раствор флуоресцеина концентрации
4«10ЛЙ при pH 11.
А — возбуждение при 2.04 мкм”"1
(490 нм); Б — возбуждение при
2,73 мкм”1 (366 нм). Чувствитель-
ность и интенсивность возбуждаю-
щего света одинаковы для обеих
кривых.
для возбуждения исполь-
MKM"1 (366 нм), то проис-
света
с волновым числом 2,73 мкм~' (366 нм) поглощался сравни-
тельно слабо и проникал на большое расстояние в глубь рас-
твора. В результате этого значительная часть наблюдаемой
флуоресценции проходила обратно
твора и, таким образом, частично
поглощалась нафтаценом, в резуль-
тате чего происходило наложение
спектра поглощения нафтацена на
спектр испускания фенилнафтил-
амина (ср. кривые Л и Б на рис.
82). Возбуждающий свет с волно-
вым числом 3,19 мкм-1 (313 нм)
поглощался сильнее и не проникал
в глубь раствора. Поэтому свет
флуоресценции на обратном пути
проходил через тонкий слой рас-
твора и меньше поглощался нафта-
ценом (кривая В на рис. 82).
Аналогичные эффекты можно
наблюдать в концентрированных
растворах, содержащих только од-
но растворенное вещество, если его
спектры поглощения и флуоресцен-
ции перекрываются, так как доля
самопоглощения будет зависеть от
глубины проникновения возбуж-
дающего света. Так, при фронталь-
ном освещении светом с волновым
числом 2,04 мкм-1 (490 нм) концен-
трированный раствор флуоресцеи-
на имеет обычный спектр испуска-
ния, так как возбуждающий свет
полностью поглощается в очень
тонком слое в передней части кю-
веты (кривая А на рис. 83) и на-
блюдается очень малое самопогло-
щение флуоресценции. Однако если
зуется свет с волновым числом 2,73
ходит значительное проникновение возбуждающего
в глубь раствора. Большая часть флуоресценции должна затем
пройти через слой раствора, который сильно поглощает в ко-
ротковолновом участке полосы флуоресценции. В результате
этого коротковолновый участок полосы почти полностью отсут-
ствует в наблюдаемом спектре и возникает значительное иска-
жение, особенно в области, расположенной слева от максимума
истинного спектра. Максимальная величина наблюдаемого
218
ГЛАВА Ш
спектра сдвигается поэтому в сторону меньших волновых чисел
(ср. кривые Б и Л на рис. 83). Изменение в спектре испуска-
ния с изменением длины волны возбуждения обычно прини-
мается как доказательство того, что в растворе присутствует
более одного испускающего вещества, но это правило неприме-
нимо к концентрированным растворам, и, применяя его, необ-
ходимо измерять спектр поглощения для того, чтобы убедиться,
что наблюдаемые изменения в спектре испускания не связаны
с эффектом внутреннего фильтра.
4. Метод освещения в линию
Метод освещения в линию (г на рис. 78) дает для разбав-
ленных растворов неискаженные спектры возбуждения и ис-
пускания, и сигнал пропорционален концентрации флуоресци-
рующего вещества. В этом отношении этот метод похож на
фронтальный метод и метод освещения под прямым углом. При-
менение этого метода для измерения очень слабой флуоресцен-
ции имеет два серьезных недостатка. Первый состоит в том, что
непргл-ощенный возбуждающий свет непосредственно поступает
в анализирующий монохроматор, и если используется одинар-
ный 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 недоста-
ток может быть устранен использованием двойного монохрома-
тора для анализа флуоресценции или использованием фильтра,
расположенного между образцом и анализирующим монохро-
матором, который поглощает возбуждающий свет, но пропу-
скает флуоресценцию. Этот фильтр должен иметь очень слабую
собственную флуоресценцию. Вторым недостатком является на-
ложение нежелательных длин волн возбуждающего света. Оно
может вызываться рассеянием света внутри монохроматора
возбуждения (если это одинарный монохроматор) или филь-
трами, которые используются для выделения нужной длины
волны возбуждающего света. Нежелательные длины волн воз-
буждающего 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 гл. V.
При измерении сильно флуоресцирующих растворов наложе-
ние рассеянного света при освещении в линию менее значитель-
но, и следует кратко обсудить преимущества такого расположе-
ния и эффекты внутреннего фильтра при использовании этого
метода. Что касается искажений в спектре возбуждения, то
эффекты здесь те же, что и при фронтальном освещении, т. е.
АППАРАТУРА И МЕТОДЫ ЭКСПЕРИМЕНТА
219
в сильно поглощающих растворах максимум___возбуждения
уменьшается по отношению к минимуму, а при полном погло-
щении при всех длинах волн
наблюдаемый спектр возбуж-
дения (для длин волн флуо-
ресценции, не поглощаемых
раствором) представляет со-
бой прямую горизонтальную
линию. На этом принципе ос-
нован счетчик квантов флуо-
ресценции (см. раздел III,
Д, 5).
Искажение спектра флуо-
ресценции в результате само-
поглощения или поглощения
флуоресценции вторым веще-
ством при расположении в ли-
нию больше, чем при фрон-
тальном освещении или осве-
щении под прямым углом, так
как в сильнопоглощающем
растворе весь свет флуорес-
ценции должен пройти весь
слой жидкости до того, как
попасть в регистрирующий
прибор. Тем не менее распо-
ложение в линию имеет пре-
имущество перед фронталь-
ным расположением, так как
его легче осуществить и на-
блюдаемая интенсивность не
так сильно зависит от точ-
ного положения кюветы, со-
держащей образец. По этой
причине такой метод исполь-
зуется для исследования влия-
ния больших концентраций на
флуоресценцию растворенного
вещества. При выполнении та-
ких измерений не следует иг-
норировать тот факт, что часть
спектра подвержена самопо-
глощению. Например, на рис.
84 показаны результаты, Полу-
ченные для нескольких концентраций антрацена в неоткачан-
360 400 440 480
Длина волны, нм
Рис. 84. Самопоглощение и концен-
трационное тушение при расположе-
нин в линию.
Концентрация антрацена в этаноле: /—
1-10"6М; 2-3,4-10“ 6 М; 3-3,4-Ю”5 М;
4 — 3,4-10~4 М; 5 — 3,4-10~3 М; возбуждение
248 нм; оптическая толщина 15 мм. Между
образцом и входной щелью монохроматора
помещена кювета с бензолом. 6 — кювета
с бензолом удалена, а вместо образца по-
мещена кювета с чистым этанолом.
ном этаноле, возбуждаемого светом с длиной волны 248 нм ли-
220
ГЛАВА III
нии ртутной лампы, выделенной двойным кварцевым монохро-
матором. Спектры анализировали с помощью второго двойного
монохроматора, поэтому наложением возбуждающего света,
рассеянного анализирующим монохроматором, можно было
пренебречь. Однако один источник помех показан кривой 6, он
является сигналом от кюветы с чистым этанолом. Это испуска-
ние дает линза из плавленого кварца, используемая для фоку-
сировки флуоресценции на входную щель анализирующего мо-
нохроматора. От этой флуоресценции избавлялись заменой лин-
зы из плавленого 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 анализирующего моно-
хроматора. Остальные кривые иллюстрируют три эффекта: са-
мопоглощение флуоресценции, влияние сильного поглощения
возбуждающего света и концентрационное тушение. В разбав-
ленных растворах антрацена (кривые 1 и 2) самопоглощение
флуоресценции ничтожно, и были получены практически неиска-
женные спектры. При увеличении концентрации первая (корот-
коволновая) полоса флуоресценции сильно поглощалась из-за
перекрывания с полосой поглощения и практически полностью
отсутствовала в более концентрированном растворе (кривая 5).
Напротив, поглощение при 400 нм было пренебрежимо мало во
всех растворах, и интенсивность основной колебательной полосы
при этой длине волны, таким образом, являлась мерой скорости
испускания флуоресценции растворов. Поглощение было пол-
ным при концентрации 3,4-10"5Л4, и интенсивности флуоресцен-
ции при 400 нм в этом растворе и в растворе концентрации
3,4-10"4А1 были одинаковыми (кривые 3 и 4). Интенсивность
флуоресценции уменьшалась в растворе концентрации 3,4-10-3 М
из-за концентрационного тушения (см. раздел. II, Б, 2).
Другим преимуществом расположения в линию является то,
что оно позволяет сравнивать интенсивность флуоресценции
(или замедленного испускания) растворов, содержащихся в раз-
ных цилиндрических кюветах, при условии, что оптическая тол-
щина кювет одинакова. Наблюдения при освещении таких кю-
вет под прямым углом могут привести к ошибкам, так как
люминесценция наблюдается через искривленную поверхность,
а геометрия последней обычно неодинакова для разных кювет.
Это несущественно при освещении в линию, где используются
только два плоских окошка кюветы. Цилиндрические кюветы
удобны в тех случаях, когда перед измерением нужно вакууми-
ровать раствор (см. раздел III, И, 2), так как они выдерживают
замораживание лучше, чем прямоугольные кюветы. Применение
освещения в линию при определении квантового выхода обра-
зования триплетов описано в гл. IV.
АППАРАТУРА И МЕТОДЫ ЭКСПЕРИМЕНТА
221
При использовании линейного расположения очень важно
избегать сканирования монохроматора флуоресценции через
весь интервал возбуждающего света. Если это все-таки случит-
ся при слабо поглощающем растворе, на фотоумножитель по-
падет интенсивный пучок света, что может вывести его из строя.
Для предотвращения этого можно использовать защитный
фильтр, например бензол (см. рис. 84).
5. Выбор расположения образца
Из предыдущего обсуждения ясно, что используемое распо-
ложение зависит от типа изучаемого образца и целей исследо-
вания. Здесь будут рассмотрены три типа образцов: а) разбав-
ленные растворы или газы, для которых поглощение
возбуждающего 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 тверды х—тел „ясен; нужно использовать фронтальное, осве-
щение, как показано на рис. 78, в. Растрескавшиеся или поли-
кристаллические образцы также обычно лучше всего изучать
при фронтальном освещении. Выбор для слабо поглощающих
раствород. также .ясен; здесь чувствительность спектрофлуори-
метра ограничивается не чувствительностью прибора, а общим
фоном, который возникает за счет рассеянного возбуждающего
света, флуоресценции стенок кюветы, примесей в растворителе
и т. д. Так как рассеянный свет и флуоресценция кюветы мень-
ше при освещении под прямым углом (свет от освещаемых сте-
нок кюветы не попадает на фотоумножитель), чем при всех ви-
дах фронтального расположения и расположения в линию (где
свет попадает), освещение под прямым углом наиболее удобно.
Выбор расположения для умеренно поглощающих растворов
определяется целью исследования и величиной ожидаемых эф-
фектов внутреннего фильтра. Если необходимо измерить сильно
поглощающие растворы, то выбор между фронтальным распо-
ложением и расположением в линию должен определяться до-
пустимой степенью флуоресцентного света. Во всех опытах
с сильно поглощающими растворами необходимо учитывать
искажения и ошибки, аналогичные эффектам внутреннего филь-
тра, и следует измерять и принимать во внимание спектр погло-
щения раствора при выборе длины волны возбуждения и при
интерпретации наблюдаемой флуоресценции. В аналитических
исследованиях иногда необходимо измерять концентрированные
растворы, например при добавлении избытка реагента для пе-
ревода исследуемого вещества во флуоресцирующую форму.
Следует тщательно учитывать эффекты внутреннего фильтра
222
ГЛАВА III
(примером может служить определение следов бора по реак-
ции с бензоином, см. гл. V). Вообще в аналитических исследо-
ваниях существует хорошее правило — разбавлять растворы до
тех пор, пока эффекты внутреннего фильтра не станут прене-
брежимо малыми или требующими лишь небольшой поправки
при освещении под прямым углом. При этих условиях каждое
флуоресцирующее вещество, присутствующее в смеси, имеет
свой собственный спектр, не зависящий от всех других.
Идеальным спектрофлуориметром является прибор со смен-
ным держателем кювет, который'позволял бы использовать лю-
бое расположение: фронтальное, в линию или под прямым уг-
лом. Желательно, чтобы монохроматор возбуждения, лампа
и т. д. составляли один блок установки, а анализирующий моно-
хроматор и фотоумножитель — другой, так, чтобы можно было
легко изменить их взаимное расположение в зависимости от
конкретных требований.
И. КЮВЕТНЫЕ ОТДЕЛЕНИЯ И КЮВЕТЫ ДЛЯ ОБРАЗЦОВ
1. Кюветы для работы при комнатной температуре
Для измерения флуоресценции неоткачанных разбавленных
растворов при освещении под прямым углом наиболее удобной
является прямоугольная кювета размером 1 X 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 освещаемых стенок кюветы не
попадал в анализирующий монохроматор, и кюветное отделение
надо конструировать так, чтобы пучок возбуждающего света
после прохождения кюветы как можно быстрее отводился (на-
пример, уходил в конус со стенками из черного бархата), а не
отражался обратно, вторично облучая стенки кюветы, открытые
для анализирующего монохроматора. Для получения макси-
мальной чувствительности при очень малых количествах иссле-
дуемого вещества можно использовать небольшую кювету таких
размеров, чтобы она соответствовала размерам сфокусирован-
ного пучка света из выходной щели монохроматора возбужде-
ния. Например, если максимальная ширина изображения щели
2 мм, а высота 15 мм, то вполне подходящей будет кювета раз-
мером 3X3 мм, наполненная до высоты 20 мм. Объем раствора,
таким образом, будет в 10 раз меньше объема, необходимого
для стандартной кюветы 10 X 10 мм, а чувствительность на об-
щий вес образца соответственно больше. Правда, изготовить ма-
ленькую кювету из плавленого кварца с плоскими стенками
далеко не просто. Можно использовать цилиндрические микро-
кюветы, но в этом случае возникают относительно большие коли-
АППАРАТУРА И МЕТОДЫ ЭКСПЕРИМЕНТА
223
чества рассеянного возбуждающего 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 возбуждающего света и света флуоресценции.
Стеклянные кюветы прозрачны примерно до 320 нм в зави-
симости от толщины стенки. Однако при длинах волн, меньших
Рис. 85. Спектры фотолюминесценции плавленого кварца и синтетической
двуокиси кремния при комнатной температуре [150].
А —оптический плавленый кварц (чувствительность X 1); Б — тот же образец, но чувстви-
тельность X 20; В — синтетическая двуокись кремния (чувствительность X 540); Г —тоже,
что и В (чувствительность X 60 000). Возбуждение 4,03 мкм”"1 (248 нм).
360 нм, поглощение стенок кюветы вызывает искажение спектра
возбуждения, а ниже 300 нм практически весь свет поглощается.
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 разбавленными растворами, необходимо
избегать флуоресценции стенок кюветы даже при освещении под
прямым углом, когда освещаемые стенки кюветы закрыты для
анализирующего монохроматора. Природный плавленый кварц
даже оптического качества почти всегда 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
ГЛАВА lit
флуоресцирует, если ее подвергнуть 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 лучшего образца из синте-
тического материала (кривая Г) была в 105 раз меньше флуо-
Р и с. 86. Кювета для проведе-
ния реакции и для измерения
фотолюминесценции в обески-
слороженных растворах [131].
ресценции образца из оптического
кварца (кривая А). В разделе
V, В, 2 приведен пример влияния
флуоресценции кюветы из плавле-
ного кварца при работах с высокой
чувствительностью.
В гл. II было кратко обсуждено
тушение флуоресценции растворен-
ным кислородом, а примеры этого
тушения приведены в гл. V. 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 поглоще-
ния и низкий квантовый выход
флуоресценции, до 95% Для ве-
ществ с долгоживущей флуорес-
ценцией. Тушение кислородом фос-
форесценции и замедленной флуо-
ресценции намного больше, поэто-
му необходимы специальные предо-
сторожности, описанные в разделе
III, И, 2. Тушение флуоресценции
кислородом можно легко 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 газа. Для более сильного обескислоро-
живания кювету надо закрывать стеклянной пробкой с вводной
трубкой. Для присоединения кюветы к баллону с газом лучше
всего использовать шланг из полиэтилена или гибкую металли-
ческую трубку, а не резиновые шланги. Если проводятся точ-
ные измерения и если процесс откачивания занимает значитель-
ное время, газ необходимо заранее насыщать парами раство-
рителя для предотвращения потерь за счет испарения.
В некоторых флуориметрических реакциях, например при
определении следов бората по его реакции с бензоином в ще-
лочном растворе, необходимо обескислородить реагенты перед
АППАРАТУРА И МЕТОДЫ ЭКСПЕРИМЕНТА
225
смешиванием во избежание* 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 реагенту, нахо-
дящемуся в ловушке, перетекать в кювету. Газ попадает в жид-
кость через маленькое отверстие Н в стенке подводящей трубки
Рис. 87. Кюветное отделение [131].
А —свет ртутной лампы; В —диск прерывателя; С —стеклянный илн жидкостной фильтр;
D —кювета из двуокиси кремния; Е — анализирующий монохроматор; F — прерывистый
возбуждающий свет из монохроматора, G — фотоумножитель для фильтрованного света
флуоресценции. При измерениях поглощения вместо G размещают источник света.
и выходит через кольцеобразное отверстие в верхней части ло-
вушки. Когда обескислороживание закончено, вводную трубку
немного 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 которого каждая из двух
кювет, содержащих стандартный и испытуемый растворы, вдви<
гается в 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 F. Возникающую
флуоресценцию можно регистрировать монохроматором Е или
непосредственно измерять через фильтры фотоумножителем G.
Помещая в положение А фотоэлемент, а в положение F — источ-
ник света, одновременно с флуоресценцией раствора можно из-
мерять поглощение им возбуждающего света.
При точных измерениях интенсивностей флуоресценции при
фронтальном возбуждении необходимо особенно тщательно
226
ГЛАВА Ш
подбирать положение образца и направление пучка возбуждаю-
щего света. На рис. 88 представлена схема одного из таких рас-
положений. Пучок света от монохроматора возбуждения отра-
жается от поверхности алюминиевого зеркала М и фокусируется
на отверстие Л, за которым располагается исследуемый обра-
зец. Образцом может быть кювета с жидкостью, бумажная
хроматограмма, хроматографическая колонка или вещество,
очищенное зонной плавкой (Z). С помощью специальных уст-
ройств образец можно вращать и перемещать, что позволяет
Рис. 88. Кюветное отделение при
фронтальном освещении.
ло М и поместить кювету в
установить распределение изоли-
рованных флуоресцирующих при-
месей. Отраженный пучок воз-
буждающего света поглощается
черным бархатом V или другой
нефлуоресцирующей черной ма-
товой поверхностью. Флуоресцен-
ция образца фокусируется лин-
зой L на входную щель S анали-
зирующего монохроматора. Зер-
кало М можно вращать вокруг
вертикальной оси, поэтому изоб-
ражение А выходной щели воз-
буждающего монохроматора
можно отрегулировать так, что-
бы оно находилось на оптиче-
ской оси SL. Если удалить зерка-
положение С, то кюветное отделе-
ние можно использовать для освещения под прямым углом,
хотя для получения оптимального освещения щели S линзу L
нужно заменить при этом другой линзой с более коротким фо-
кусным расстоянием.
Как и при любом способе фронтального освещения, значи-
тельное количество рассеянного возбуждающего света проходит
в анализирующий монохроматор. Для работ с большой чув-
ствительностью анализирующий монохроматор и монохроматор
возбуждения должны иметь дополнительные фильтры или необ-
ходимо использовать двойные монохроматоры. Кюветы и тру*
бочки, содержащие образец, должны иметь очень слабую флуо-
ресценцию.
2. Вакуумная откачка кювет
Как фосфоресценция, так и замедленная флуоресценция
в жидком растворе при комнатной температуре тушатся чрез-
вычайно малыми концентрациями молекулярного кислорода, и
наиболее надежным способом удаления кислорода является
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
Рис. 89. Схема установки для обезгаживания растворов.
В, D — форвакуумный и диффузионный насосы; М—манометр Маклеода; С —ловушки;
Р —манометр Пирани; T —краны.
иметь различную форму и размеры в зависимости от целей. Но
обычно применяется легко изготовляемая цилиндрическая пи-
диаметром 2,5 см с оптической
рексовая или кварцевая кювета
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 дегазируют сле-
дующим путем. Кювету сна-
чала замораживают смесью
ацетона с сухим льдом и от-
качивают. Затем отключают
ее от системы краном Л
(рис. 89), содержимое размо-
раживают для удаления рас-
творенного газа, вновь охлаж-
дают смесью ацетона с сухим
льдом и откачивают. Кран Т\
снова закрывают и содержи-
Рис. 90. Кювета для обезгаживания
растворов [111].
мое кюветы размораживают. Эту процедуру повторяют три раза,
и полученный раствор практически не содержит кислорода и
углекислого газа. Последние следы кислорода удаляются по-
вторным охлаждением в этаноле при температуре —110° С, от-
качиванием до давления 10“5 мм рт. ст., размораживанием (с за-
крытым краном Г1), повторным охлаждением и т. д. Эту опера-
228
ГЛАВА III
цию продолжают до тех пор, пока давление газа над жидкостью
в изолированном от насоса объеме после размораживания и по-
вторного охлаждения будет менее 2-10~5мм рт. ст. Кювету ох-
лаждают, суженную часть трубки нагревают в течение несколь-
ких минут при откачивании и отпаивают. Фосфоресценцию или
замедленную флуоресценцию нужно измерить немедленно (см.
ниже) и снова измерить после выдерживания в течение ночи.
Совпадение результатов двух измерений покажет, насколько хо-
рошо была откачана кювета.
Относительно нелетучие жидкости, такие, как глицерин или
пропиленгликоль, трудно размораживать без дополнительного
нагревания, и они хуже обескислороживаются. Следует по воз-
можности бодьше кислорода удалить из растворов перед напол-
нением, пропуская ток азота при температуре 50° С. З'атем про-
вести серию охлаждений и размораживаний, как было описано
для летучих жидкостей, но после каждого охлаждения и отка-
чивания дегазировать раствор нагреванием его до 50° С и силь-
ным встряхиванием (вращая вокруг смазанного шлифа).
Хорошей смазкой шлифов кюветы является апьезон L; если
размораживание проводить осторожно и использовать кювету,
изображенную на рис. 90, то загрязнение раствора смазкой прак-
тически ничтожно.
Описанные цилиндрические кюветы можно использовать для
освещения под прямым углом, фронтального освещения или
освещения в линию. При измерениях под прямым углом цилин-
дрические стенки кюветы закрывают отрезком черной полиэти-
леновой трубки с прямоугольным отверстием размером 1 X 1,5 см
для пропускания люминесценции. Кювету освещают через одну
из плоских стенок, а люминесценция наблюдается через отвер-
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-
мерении фосфоресценции или замедленной флуоресценции, по-
скольку интенсивность последней можно сравнить с обычной
флуоресценцией того 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 регулируемой температуре
Для измерений при температурах, близких к комнатной, пря-
моугольную кювету помещают в полый латунный блок, имею-
щий люк для кюветы, стенки которого плотно касаются стенок
ккэреты^ и окошки для прохождения возбуждающего света и
АППАРАТУРА И МЕТОДЫ ЭКСПЕРИМЕНТА
229
люминесценции. Через блок пропускают термостатированную
воду или другую жидкость.
Для работ при высокой или низкой температурах удобен
кварцевый сосуд Дьюара, аналогичный показанному на рис. 91.
Он имеет четыре пары окошек, располо-
женных на одинаковой высоте: две пары
в линию и две другие пары тоже в ли-
нию под прямым углом по отношению
к первым двум парам. Рекомендуется
использовать сравнительно большой со-
суд Дьюара, чтобы в него можно было
поместить цилиндрическую кювету тол-
щиной 2 см с приспособлениями для кре-
пления. При большой емкости темпера-
туру кюветы можно поддерживать при
77 К в течение нескольких часов без до-
бавления жидкого 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 высокого вакуума при нагрева-
нии до 280—300° С в течение одной-двух
недель перед окончательной отпайкой.
Тщательная откачка до высокого вакуу-
ма обеспечивает впоследствии малую
скорость испарения жидкого азота и по-
зволяет избежать намораживания влаги
на окошках.
Сосуд Дьюара помещают в прямо-
угольную металлическую камеру (см.
рис. 91), закрепленную наверху скоба-
ми, имеющими пазы, в которых скользит
Держатель кюветы. Кювету закрепляют
в держателе с помощью резиновых сальников. Две пары поли-
этиленовых крышек предотвращают конденсацию влаги в со-
суде Дьюара, когда он наполнен жидким азотом.
Такую же конструкцию можно использовать для измерений
при контролируемых температурах до —115° С; сосуд Дьюара
наполняют этанолом и охлаждают до нужной температуры до-
бавлением жидкого азота. Температуру измеряют термопарой,
Рис. 91. Сосуд Дьюара
и кювета для измерений
при высоких и низких
температурах.
W — окошки кварцевого со-
суда Дьюара; 7 —ящик из
жести; S — резиновые про-
кладки; D —скобы с проре-
зями G для держателя кю-
веты Н; С — кювета с длин-
ной трубкой A; L — плотные
крышки; N — жидкий азот или
другая охлаждающая жид-
кость.
230
ГЛАВА III
прикрепленной к стенке кюветы, и если сосуд Дьюара хороший,
то за время измерений спектра флуоресценции и фосфоресценции
температура возрастает лишь на 2—3°С. Для многих целей та-
кая точность вполне достаточна. С помощью небольшого прово-
лочного нагревателя можно повышать температуру и измерять
спектры при нескольких температурах. При температуре выше
Рис. 92. Опти-
ческая кювета с
использованием га-
зообразных ве-
ществ для нагре-
комнатной рекомендуется заменить этанол
водой. В интервале от —115 до —150° С вме-
сто этанола следует брать изооктан.
Описаны различные конструкции для бо-
лее точного регулирования температуры. Рас-
смотрим кратко кювету конструкции Хирш-
берга и Фишера [151]. Она предназначена для
измерения поглощения и может быть легко
переделана для фотолюминесцентных измере-
ний. Эта кювета состоит из кварцевого 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 В. Газообразный охладитель или на-
греватель вводится в сосуд Дьюара через
трубку G с помощью полусферического шли-
фа М и выходит из сосуда Дьюара через
трубку Н. Кювета окружена с двух сторон
медной оболочкой, а термопара (вставленная
через другую трубку, не показанную на рис.
92) помещена между оболочкой и кюветой.
Термопара служит для измерения и регули-
вания или охлаж- ровки температуры с помощью специального
дения [151]. регулятора. Для температур выше 20° С воз-
дух пропускают через нагревательную катуш-
ку, ток в которой контролируется термопарой. Для интервала
от —160 до —10° С испаряют жидкий воздух с помощью неболь-
шого электронагревателя, ток в котором регулируется термо-
парой. Для температур между —20 и +20° С поддерживается
постоянная скорость кипения жидкого воздуха, и поток холод-
ного воздуха проходит через нагревательную катушку, ток
в которой тоже регулируется 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, прикрепленного
к толстому стержню /?; и тот и другой изготовлены из меди и,
следовательно, имеют большую теплопроводность. Маленький
прямоугольный держатель Т скользит в пазах передней стенки
АППАРАТУРА И МЕТОДЫ ЭКСПЕРИМЕНТА
231
блока и находится в тесном контакте с поверхностью последнего.
Внешняя поверхность держателя имеет прямоугольное углубле-
ние (2 X 3 см, глубина Змм), в которое помещают образец.
Держатель вынимают из блока с помощью тонкой стальной руч-
ки Н. Медный блок устанавливают в середине большого поли-
уретанового блока Е, который служит теплоизолятором. Поли-
уретановый блок укрепляют на верхней части сосуда Дьюара D
с жидким азотом. Медный стержень погружают в жидкий азот,
Рис. 93. Прибор для фронтального освещения при низкой температуре.
при этом медный блок и образец охлаждаются до температуры,
близкой к температуре жидкого азота. Температуру нижней
части держателя измеряют с помощью термопары. В боковые
отверстия полиуретанового блока вставлены цилиндрические
откачанные кварцевые кюветы W. Они предотвращают конден-
сацию влаги на образце и служат окошками, через которые
проходят возбуждающий свет и свет люминесценции. При под-
готовке образца к измерениям держатель Т вынимают из бло-
ка В через прямоугольный вырез S с помощью ручки Н. Затем
держатель охлаждают, погружая его в жидкий азот. В углуб-
ление наливают несколько капель раствора и сразу же после
замерзания раствора держатель быстро вставляют в блок В.
Через несколько минут образец готов для измерения.
Большинство растворителей при замерзании образуют стекла,
которые сильно растрескиваются при температуре жидкого азо-
та, и в этом случае кюветы часто ломаются. Поэтому для наблю-
дения под прямым углом выбор растворителей, дающих прозрач-
ные стекла, ограничен (см. раздел III, Н, 7). При фронтальном
освещении разрушения кюветы можно избежать, если перед
232
ГЛАВА Hi
помещением ее в сосуд Дьюара заморозить тонкий слой рас-
твора на одной из стенок кюветы, погруженной в жидкий азот
в горизонтальном положении.
К. ИСПРАВЛЕНИЕ СПЕКТРОВ
1. Исправление спектров возбуждения
Чтобы измерить спектры возбуждения флуоресценции рас-
твора с помощью однолучевого спектрофлуориметра, устанавли-
вают монохроматор флуоресценции (если необходимо, при широ-
ких щелях) на длину волны максимума полосы флуоресценции
исследуемого вещества. Затем монохроматор возбуждения ска-
нируют в определенном интервале длин волн при постоянных
щелях и регистрируют изменение интенсивности флуоресценции
в зависимости от длины волны или волнового числа возбуждаю-
щего света. Получаемый таким путем неисправленный спектр
возбуждения зависит от характеристик используемого прибора и
часто очень сильно отличается от истинного спектра. Связь меж-
ду неисправленным и истинным спектрами возбуждения можно
установить следующим путем. Сигнал фотоумножителя (Р)
прямо пропорционален общему потоку Q испускаемой образцом
флуоресценции, который для слабо поглощающих растворов
определяется уравнением (21), поэтому
Р = &Q = &/0(2,Зес/)фр (236)
где k — константа прибора. Таким образом, для раствора дан-
ной концентрации в отдельной кювете
Р ос /08фу, (237)
где /о — квантовая интенсивность возбуждающего света, падаю-
щего на образец; она меняется в зависимости от длины волны,
установленной на монохроматоре возбуждения в соответствии
с характеристиками источника и монохроматора. Величина еср/
является фундаментальной характеристикой флуоресцирующего
вещества при определенных условиях измерения, а истинный
спектр возбуждения — это зависимость 8ф/ от длины волны или
волнового числа возбуждающего света. Так как для большин-
ства веществ квантовый выход флуоресценции фу не зависит от
длины волны возбуждающего света, то истинный спектр воз-
буждения в большинстве случаев является копией спектра
поглощения вещества (см. раздел I, Б, 4 и рис. 6).
Для получения истинного спектра возбуждения на основе ре-
гистрируемой кривой прежде всего следует определить измене-
ние /о с длиной волны при помощи термобатареи, калиброван-
ного фотоэлемента, ферриоксалатного актинометра или более
АППАРАТУРА И МЕТОДЫ ЭКСПЕРИМЕНТА
233
простым путем — используя флуоресцентный счетчик квантов
(см. разделы III, Д и III, Е). Результаты, приведенные на рис. 94,
иллюстрируют этот метод исправления. Верхняя кривая А
характеризует относительную квантовую интенсивность возбуж-
дающего света, сплошная кривая Б — спектр поглощения би-
сульфата хинина, а нижняя кривая В — регистрируемый (неис-
правленный) спектр возбуждения. Поскольку интенсивность
<20
Выход
с монохроматора,
кванты
Спектр z
поглощения^—)
и истинный
спектр
возбуждения (о)
Кажущийся
спектру
возбуждения
2,5
3,5
>____।-------1--------1-----1---м
250 300 400 500 600 нм
1,5 мкм~*
4,5
Рис. 94. Исправление спектра возбуждения вручную [158].
Бисульфат хинина в 0,1 н. серной кислоте; А •—относительная квантовая интенсивность
света, выходящего из кварцевого монохроматора с широкими щелями, при использовании
ксеноновой лампы; Б (сплошная линия) •—спектр поглощения; Б (кружки) — исправленный
спектр возбуждения, полученный путем деления ординат кривой В на ординаты кривой А;
В — неисправленный спектр возбуждения (интенсивность флуоресценции в зависимости от
волнового числа, установленного на монохроматоре возбуждения при постоянной ширине
щели).
возбуждающего света при коротких длинах волн быстро умень-
шается, в регистрируемом спектре возбуждения интенсивность
второй полосы поглощения бисульфата хинина значительно
меньше, чем интенсивность первой полосы, в то время как в дей-
ствительности вторая полоса более интенсивна. Делением орди-
нат кривой В на ординаты кривой А легко получить истинный
спектр возбуждения, который изображен кружками на кривой Б.
Он хорошо совпадает со спектром поглощения.
Неблагоприятное спектральное распределение источников
УФ-излучения часто не позволяет различить важные детали
в неисправленном спектре возбуждения. Например, спектр по-
глощения щелочного 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 регистрации
видимой полосы, нет заметного возбуждения в УФ-области,
234
ГЛАВА III
для того, чтобы наблюдать его, необходимо увеличить чувстви-
тельность приблизительно в 100 раз. Но даже и в этом случае
УФ-полосы сильно искажены. После пересчета на постоянную
интенсивность возбуждающего света истинный спектр возбужде-
ния (рис. 95, кружки кривой Л), удовлетворительно совпадет со
спектром поглощения.
Аргауэр .и Уайт [152] предложили косвенный метод получения
данных для исправления спектра возбуждения. Они показали,
250 300 400 500 600нм
Рис. 95. Сравнение спектров возбуждения и поглощения [158].
Флуоресцеин в карбонат-бикарбонатном буфере; А (сплошная линия) — спектр поглощения;
А (кружки) —исправленный спектр возбуждения; Б — неисправленный спектр возбуждения
(интенсивность флуоресценции в зависимости от волнового числа, установленного на
монохроматоре возбуждения при постоянной ширине щели).
что квантовый выход флуоресценции спиртового раствора хелата
алюминия с 2,2'-диокси-1,Г-азонафталин-4-сульфоновой кисло-
той постоянен в интервале 250—550 нм и путем сравнения неис-
правленного спектра возбуждения разбавленного раствора этого
соединения со спектром его поглощения можно получить данные
для вычисления поправочной кривой комбинации монохроматор
возбуждения — лампа.
2. Автоматическая регистрация исправленных
спектров возбуждения
Исправление сложных спектров возбуждения — довольно тру-
доемкая процедура, и точность его зависит от того, насколько
неизменным остается спектральное распределение источника
в интервале времени от измерения зависимости /с от длины вол-
ны до записи неисправленного спектра. Естественно, более удоб-
ным является прибор, непосредственно записывающий исправ-
АППАРАТУРА И МЕТОДЫ ЭКСПЕРИМЕНТА
235
ленные спектры возбуждения (или спектр, близкий к нему).
Паркер [143] впервые описал такой прибор, принципиальная схе-
ма которого приведена на рис. 96. В основе прибора лежит
использование счетчика квантов флуоресценции (раздел III, Д, 5)
и метода регистрации отношения сигналов (раздел III, Ж, 3).
Возбуждающий свет из мо-
нохроматора Ali фокуси-
руется на образец С, а не-
которая часть пучка отра-
жается прозрачной кварце-
вой пластинкой В на счет-
чик квантов флуоресцен-
ции F, излучение которого
регистрируется фотоумно-
жителем Р 2. Полоса флуо-
ресценции образца С выде-
ляется монохроматором М2
и регистрируется фотоумно-
жителем Р\. Усиленные сиг-
налы с Р\ и Р2 подаются на
самописец /?, регистрирую-
щий отношение сигналов
(см. рис. 77). При сканиро-
вании монохроматора Мх
ширина его щели изменяется
Рис. 96. Схема прибора для измерения
исправленного спектра возбуждения
так, чтобы выход с фотоумножи-
теля Р2 оставался приблизительно постоянным. Так как при
всех длинах волн на монохроматоре М\
(см. раздел III, Д, 5) и
7^2 7q
Р\ ОС /08(pf,
(238)
(239)
то самописец измеряет
-p-oce(pf,
(240)
т. е. исправленный спектр возбуждения. В своих экспериментах
Паркер использовал 4,4 • 10~3 М раствор флуоресцеина в смеси
карбоната и бикарбоната натрия (оба 0,1 н.) и нашел, что этот
раствор обеспечивает постоянство квантовой интенсивности
пучка возбуждающего света в пределах ±10% в интервале
230—450 нм. Такая точность является удовлетворительной для
большинства целей, но счетчик квантов на основе родамина Б,
предложенный Мельюишем [141], лучше и применим в более ши-
роком спектральном интервале (см. раздел III, Д, 5). Возмож-
ности оригинального прибора Паркера можно оценить по рис. 6
и 97. На рис. 6 приведен непосредственно регистрируемый спектр
236
ГЛАВА lit
мкм-1
Рис. 97. Искажение неисправ-
ленного спектра возбуждения
в ультрафиолетовой области
[143J.
5-Окситриптаминкреатининсульфат в
воде; спектр возбуждения, записан-
ный со счетчиком квантов (кривая 1)
и без него (кривая 2); флуоресцен-
ция регистрировалась при 2,85—
3,0 мкм-1.
возбуждения разбавленного раствора 1,2-бензантрацена в срав-
нении со спектром поглощения (измеренным при более высокой
концентрации). Спектр возбуждения аналогичен спектру погло-
щения, хотя и не идентичен ему, поскольку использовалась раз-
ная ширина полосы. Искажение в
неисправленном спектре возбужде-
ния хорошо видно на рис. 97, где
представлены результаты измере-
ний с раствором 5-окситриптамин-
креатининсульфата. Кривая /, по-
лученная с помощью счетчика кван-
тов флуоресценции, аналогична
спектру поглощения и более полез-
на, чем кривая 2, которая записана
при постоянной ширине щели без
регулировки с помощью счетчика
квантов. Вследствие быстрого из-
менения интенсивности возбуждаю-
щего света с длиной волны неис-
правленная кривая мало похожа на
спектр поглощения вещества.
В литературе описано много
приборов для непосредственной за-
писи спектров возбуждения флуо-
ресценции [153—157]. В некоторых
приборах используются счетчики
квантов и регистрируется величина
ефу, как описано выше. В других
используется термобатарея для ре-
гулирования пучка возбуждающего
света и регистрируется есрД, вели-
чина, менее важная, чем eqp/. В ря-
де приборов применяется фотоум-
ножитель, термобатарея или другое
приспособление для регулирования
пучка возбуждающего света и ис-
пользуются электронные устрой-
ства для исправления изменений
квантового выхода регулирующего устройства с длиной волны,
так что регистрируется точная кривая еср/. Для химиков, же-
лающих изготовить свой прибор, метод Паркера наиболее
прост, так как с его помощью записываются исправленные
спектры возбуждения с точностью ±10%, что вполне прием-
лемо для большинства целей. Записанные спектры более точно
можно исправить последующим расчетом, определив сигнал
счетчика квантов методами, описанными в разделе III, Д, 5.
АППАРАТУРА И МЕТОДЫ ЭКСПЕРИМЕНТА
237
3. Исправление спектров испускания
Спектр испускания образца — это зависимость интенсивности
люминесценции, измеренной в квантах на единичный интервал
частоты (или волнового числа), от частоты или волнового числа
(см. раздел I, Б, 4), т. е. если Q представляет общее число кван-
тов (всех волновых чисел), испускаемых в единицу времени, то
dQ/dv— это интенсивность при волновом числе v, а график
dQ/dv в зависимости от v является истинным спектром испуска-
ния люминесценции. На практике спектр обычно изображают
в относительных, а не в абсолютных единицах.
Если монохроматор флуоресценции^жщпцтуетсяипрш-постоян-
ной шцрине щели и постоянной чувствительности фотоумножи-
теля, то получаемая кривая5Гвляется кажущимся, или неисправ-
ленным, спектром испускания. Для определения истинного
спектра на основе полученной кривой следует ввести поправку
на три зависящие от волнового числа величины, а именно кван-
товую эффективность фотоумножителя, ширину полосы монохро-
матора и коэффициент пропускания монохроматора. Сигнал
с фотоумножителя А у при волновом числе v, соответствующий
кажущемуся спектру испускания, равен
Ау = {dQ/dv) {PyByLv) = {dQ/dv) (Sv), (241)
где Pv — относительная квантовая эффективность фотоумножи-
теля, Bv — относительная ширина полосы при постоянной ши-
рине щели монохроматора и Ly—доля света, проходящая через
монохроматор. Истинный спектр испускания можно вычислить
из наблюдаемой кривой, разделив ординаты кривой на соответ-
ствующую величину Sy. Sy — это спектральная чувствительность
комбинации монохроматор — фотоумножитель (включая оптику
входной щели); она пропорциональна сигналу с фотоумножи-
теля, который получался бы, если бы входная щель освещалась
источником, имеющим постоянное спектральное распределение.
Если для освещения входной щели монохроматора используется
диффузный источник с известным спектральным распределением,
так что коллиматор заполняется светом, а сигнал фотоумножи-
теля {Rsl) регистрируется в зависимости от длины волны, то S5'
можно просто определить из уравнения
S^RSL/{dQ/dv)SL. (242)
Этот метод обычно используют для калибровки в видимой об-
ласти с помощью вольфрамовой лампы, работающей при извест-
ной цветовой температуре, из которой по уравнению Планка
[уравнение (226)] можно вычислить спектральное распределение
{dQ/dv)sl- На практике с помощью лампы освещают экран из
окиси магния, помещенный под углом напротив входной щели
238
ГЛАВА III
(см. рис. 49, Л). Затем коллиматор заполняют светом и опреде-
ляют точную величину Sy. Значения интенсивности лампы нуж-
но умножить на отражательную способность окиси магния
(табл. 23) и затем подставить их в уравнение (242) в виде
Таблица 23
Отражательная способность окиси магния [159]
Длина волны, нм 0 20 40 60 80
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
(dQjdvjsL- Если не использовать экран из окиси магния, 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. Это необходимо, поскольку коэффициент пропуска-
ния монохроматора может меняться в зависимости от того, ка-
кой участок коллиматора освещается.
Калибровочные данные для стандартных вольфрамовых ламп
обычно приводятся в единицах энергии (ватты) на единичный
интервал длин волн [т. е. dEfdK согласно уравнению (225)]. Их
нужно умножать сначала на соответствующие длины волн, что-
бы получить число квантов на единичный интервал длин волн,
т. е. (dEfdty'k. Затем это значение нужно перевести в кванты на
единичный интервал частот умножением на X2 [см. уравнение
(214)]. Таким образом,
(dQ/dv)5£ = V(dW)5£, (243)
а фактор чувствительности равен'
с __ #SL'
A3 (dE/dk)SL *
(244)
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 ультрафиоле-
товой области, поскольку спектральное распределение ламп
АППАРАТУРА И МЕТОДЫ ЭКСПЕРИМЕНТА
239
ультрафиолетового излучения точно не известно. Для этого ин-
тервала Паркер [160] предложил довольно удобный метод, поз-
воляющий использовать флуоресцентный экран для измерения
произведения PyL^ Принцип метода показан на рис. 99. Экран
из окиси магния изготовляют, помещая алюминиевую пластинку
в облако дыма, получающееся при сгорании магниевой ленты,
и держат его в нем до тех пор, пока вся фольга не покроется
Рис. 98. Определение кривой чувствительности для видимой области [158].
Спектрометр со стеклянной призмой и фотоумножитель типа E.M.I. 9558. А —относительное
спектральное распределение света стандартной лампы, работающей при цветовой темпе-
ратуре 2856 К (энергия на единичный интервал длин волн dE/dty; Б— то же. что и А, но
на единичный интервал волновых чисел dQ!dv\ В — выход с фотоумножителя при постоян-
ной ширине щели; Г —кривая спектральной чувствительности (т. е. ординаты кривой Б,
деленные на ординаты кривой Б). Все кривые нормированы при 0,56 мкм.
однородным толстым слоем окиси. Бенфорд и сотр. [159] опре-
делили коэффициент отражения окиси магния в видимой и уль-
трафиолетовой областях; он варьирует в пределах 8% в интер-
вале 250—500 нм (табл. 23). Экран помещают под углом перед
входной щелью комбинации монохроматор — фотоумножитель,
которую предстоит калибровать (Л12 — на рис. 99), и в центре
расходящегося пучка из монохроматора возбуждения Л1ь свет
в который поступает от ксеноновой лампы L. Для фокусировки
пучка, как показано на рис. 99, необходимо использовать ахро-
матическую линзу или же вводить поправку на изменение фо-
кусного расстояния линзы в зависимости от длины волны [161].
Вместо линзы молено использовать вогнутое зеркало, как пока-
зано на рис. 74, Б. Расстояние х (рис. 99) должно быть большим
по сравнению с расстоянием у, так чтобы экран равномерно осве-
щался светом с интенсивностью, пропорциональной общей кван-
товой интенсивности пучка. Последнюю измеряют с помощью
240
ГЛАВА HI
счетчика квантов флуоресценции (В — F — PJ, который пред-
варительно прокалиброван по термобатарее или ферриоксалат-
ному актинометру (см. разделы III, Д и Е) для получения не-
скольких относительных значений квантовой эффективности
счетчика Операция, которая следует за калибровкой, опи-
сана ниже вместе со ссылкой на табл. 24, в которой приведены
результаты, полученные для монохроматора с кварцевой приз-
мой и фотоумножителя Е. М. I. 6256.
Рис. 99. Схема калибровки спектрометра флуоресценции в ультрафиолето-
вой области [160].
L — ксеноновая лампа, М{ — монохроматор возбуждения; В —пластинка из двуокиси крем-
ния для рассекания пучка; В —кювета из двуокиси кремния толщиной 0,5 мм, содержащая
флуоресцирующий раствор; Pi — управляющий фотоумножитель; S — экран, покрытый MgO;
М2 — монохроматор флуоресценции; 'Р2 — фотоумножитель флуоресценции.
Входная щель монохроматора М2 открывается немного, а вы-
ходная щель открывается полностью (соответственно ширине
полосы ДХ). Ширины щелей монохроматора возбуждения уста-
навливаются одинаковыми и меняются при его сканировании
так, чтобы сигнал счетчика оставался постоянным. Необходимо,
чтобы полная ширина полосы, проходящей через монохроматор
возбуждения, была всегда меньше ДА, так чтобы вся полоса
длин волн, пропускаемых монохроматором Afi, попадала на фо-
тоумножитель Р2, когда длины волн двух монохроматоров сов-
падают. При каждой длине волны монохроматора возбуждения
Л41 сканируется монохроматор флуоресценции М2 и отмечается
максимальный сигнал (Ry) фотоумножителя Р2. Так как сигнал
счетчика остается постоянным, то входная щель монохроматора
М2 освещается светом с интенсивностью, пропорциональной
(Jv/Tv, доля которой Ly попадает на фотоумножитель и вызывает
сигнал Ry, пропорциональный квантовой эффективности фото-
умножителя (Ру). Поэтому
Ry ос РyLy0vltyyi (245)
АППАРАТУРА И МЕТОДЫ ЭКСПЕРИМЕНТА
241
Величины PyLy в графе 5 вычислены из Ov, ЧЧ и Ry (графы 2,
3 и 4 в табл. 24). С помощью данных по дисперсии прибора (их
можно получить также по методу, описанному в разделе III, Б, 5),
определяли значения (графа 6), а затем вычисляли Тот
же метод можно использовать и для ртутной лампы, устанавли-
вая монохроматор М\ на длину волны основных ртутных линий.
Таблица 24
Метод вычисления спектральной чувствительности
в ультрафиолетовой области
мкм - 1 <Pv Ry Bv sv
3,0 0,93 1,04 5,67 6,34 0,0462 0,293
3,2 0,92 1,05 6,05 6,90 0,0425 0,293
3,4 0,92 1,05 6,83 7,80 0,0390 0,304
3,6 0,91 1,06 6,78 7,90 0,0352 0,278
3,8 0,94 1,07 4,78 5,44 0,0318 0,173
4,0 0,95 1,08 3,05 3,47 0,0288 0,100
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 чувствительность
с помощью уравнения (242), в котором (dQldv)sL представляет
собой известное спектральное распределение одного из стандарт-
ных соединений, a Rsl— наблюдаемую величину. Существенно,
чтобы образец, не содержал других флуоресцирующих веществ
и чтобы флуоресценцию измеряли при тех же самых условиях
(температура, концентрация, растворитель, pH и т. д.), для ко-
торых известны стандартные спектры флуоресценции. Наиболее
часто используются два вещества с известными стандартными
спектрами флуоресценции: это бисульфат хинина в разбавленной
серной кислоте (0,1 или 1,0 н.) и антрацен (см., например,
рис. 2). Мельюиш [162] рекомендует бисульфат хинина для ка-
либровки спектрофлуориметров в видимой области. Наиболее
часто это соединение используют в интервале 410—520 нм, вне
этого интервала интенсивность флуоресценции падает до низких
значений по сравнению с максимумом, и для получения точных
кривых спектральной чувствительности необходима большая
осторожность. В частности, следует учитывать рассеянный свет,
рамановское излучение и т. д. Липперт и сотр. [163] измерили
исправленные спектры испускания ряда соединений, которые
охватывают почти всю видимую область спектра. Они исполь-
зовали концентрированные растворы и метод фронтального
освещения. Аргауэр и Уайт [152] нашли, что три из этих сре/ць
242
ГЛАВА III
нений (бисульфат хинина, 3-аминофталимид и jw-нитродиметил-
анилин) имеют практически такие же спектры испускания и в
разбавленном растворе при освещении под прямым углом; и по-
казали, что для 0-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-сульфокислотой в ка-
честве дополнительного стандартного соединения.
По причинам, рассмотренным в разделе I, Б, 4, теоретически
более важными являются исправленные спектры флуоресценции
Рис. 100. Кривая спектральной чувствительности решеточного монохрома-
тора с фотоумножителем типа 9558Q [111].
в зависимости от волнового числа или частоты, т. е. dQldv 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 регистрируется в шкале, линейной по длинам
волн. При такой записи значительно проще вычислять испра-
вленный спектр в шкале длин волн, т. е. изображать dQdd'k
в зависимости от X. Интегрирование исправленного спектра бу-
дет по-прежнему давать Q — общий поток флуоресценции при
всех длинах волн. Для получения dQld\ из регистрируемой кри-
вой необходимо знать различные значения спектральной чув-
ствительности (SjJ. Они связаны с Sy соотношением
= (246)
На рис. 54 и 100 приведены примеры кривых спектральной
чувствительности в двух видах (Sy и S^). Видно, что кривая для
призменного монохроматора является гладкой и непрерывной,
в то время как на кривой для решеточного монохроматора
рдеются неровности, которые обусловлены аномалиями рещеткд.
АППАРАТУРА И МЕТОДЫ ЭКСПЕРИМЕНТА
243
В ряде работ, особенно если не требуется исправлять спектры,
эти аномалии не имеют значения. Их следует учитывать при
исправлении спектра, они являются также существенными в при-
борах, предназначенных для прямой записи спектров испуска-
ния. При сравнении неисправленных спектров наличие аномалий
следует иметь в виду, поскольку если их эффект налагается на
широкую бесструктурную полосу испускания, то она может ка-
заться имеющей некоторую структуру.
Хотя до сих пор нет общепринятых методов изображения
спектров флуоресценции, следует придерживаться предложений,
выдвинутых группой международных экспертов [164]. На рис. 2
(см. гл. I) изображены исправленные спектры, представленные
двумя из трех способов, описанных в гл. I. Следует отметить,
что для фотохимических целей наиболее удобно изображать
dQldv в зависимости от v. Изображение dQfdk в зависимости от
л используется в случае решеточного монохроматора из-за удоб-
ства вычисления. Интегрирование последней кривой по-прежнему
дает общий квантовый поток флуоресценции, как уже указыва-
лось ранее. Изображение dE/d'k в зависимости от % (см. рис. 2)
в- фотохимических исследованиях большого смысла не имеет,
так как интегрирование кривой дает поток общей энергии, а по-
следний не имеет никакой связи с выходом флуоресценции.
При использовании любого метода для исправления спектров
флуоресценции исправленный спектр будет являться истинным
спектром испускания в том случае, если приняты меры предо-
сторожности для предотвращения значительного поглощения
флуоресценции самим раствором (см. раздел III, 3 об эффектах
внутреннего фильтра).
4. Автоматическая регистрация исправленных
спектров испускания
Коррекция спектров испускания требует много времени, осо-
бенно если спектры имеют тонкую структуру. По этой причине
большинство спектров, имеющихся в литературе (включая и эту
книгу), приведены «неисправленными». Для большинства целей,
когда необходимо качественно или количественно сравнить не-
сколько спектров, измеренных на одном и том же приборе, эти
неисправленные спектры вполне пригодны. Однако ценность
спектров для других 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 Драшеллом и’сотр. [165],
но лучше всего использовать прибор, который непосредственно
регистрирует исправленный спектр испускания. Описано множе-
ство методов автоматической регистрации [153—155, 166—171].
244
ГЛАВА III
Иногда используют механический эксцентрик, соединенный с ба-
рабаном длин волн для обеспечения корректировки прибора;
в других случаях применяют электрическое устройство для кор-
ректировки либо путем изменения щелей монохроматора, либо
за счет введения оптического клина в пучок света, либо изме-
нением чувствительности детектора; некоторые исследователи
используют счетно-решающее устройство. Здесь мы опишем
весьма универсальный метод Гамильтона [167]. Корректирую-
щий механизм легко подогнать под кривую коррекции прибора
Рис. 101. Схема Гамильтона для непосредственной регистрации исправлен-
ных спектров флуоресценции [167].
7 —источник света; 2—образец; 3 —прерыватель; 4 — сигнал сравнения; 5—монохроматор;
6 — фотоумножитель; 7—мотор; 3 —панели управления; 9 — усилитель; 10 — сервомножи-
тель; 11— фазовый детектор; 12 — самописец.
или легко перестроить, когда кривая коррекции меняется в ре-
зультате старения фотоумножителя или при замене фотоумно-
жителя.
На рис. 101 показана блок-схема установки Гамильтона.
Свет от источника (при желании фильтрованный) прерывался
с частотой 400 Гц. Флуоресценцию образца анализировали
монохроматором и фотоумножителем, и поскольку щели моно-
хроматора не входили в .систему коррекции, их при необходимо-
сти можно было менять. Сигнал фотоумножителя усиливался,
умножался на функцию коррекции чувствительности и реги-
стрировался с помощью фазочувствительного детектора, сигнал
сравнения для которого подавался с комбинации фотосопроти-
вление— лампа, установленной на прерывателе. Детектируемый
сигнал подавался на самописец.
Усиленный сигнал фотоумножителя необходимо было умно-
жить на величину, обратную спектральной чувствительности
комбинации монохроматор — фотоумножитель. Функция кор-
рекции аппроксимировалась набором линейных отрезков. Ис-
пользовался спиральный потенциометр, движок которого пере-
мещался при вращении барабана длин волн (рис. 102). Потен-
АППАРАТУРА И МЕТОДЫ ЭКСПЕРИМЕНТА
245
циометр имел большое число контактов-ответвлений, причем
потенциал каждого ответвления был отрегулирован так, 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 сигнал был
приблизительно пропорционален функции коррекции при всех
длинах волн с точностью, зависящей от расстояния между сосед-
ними ответвлениями и гладкости функции. Гамильтон использо-
вал 36 отрезков и получил точность коррекции, превышающую
Рис. 102. Панель управления Гамильтона и винтовой потенциометр с ответ-
влениями [167].
Винтовой (спиральный) потенциометр, 15 витков, 375 кОм, линейность 0,1 %, 36 ответвлений,
7,34 кОм на каждый отрезок; £1 =22 Ом, R2 и R3 подбираются; общее сопротивление сек-
ции «220 Ом; PC —печатная схема.
точность, с которой можно определить кривую спектральной
чувствительности. Напряжения на ответвлениях создавались
с помощью заранее отрегулированных потенциометров (рис. 102),
питаемых от стабилизированного источника напряжения 5 В.
Потенциометры были выполнены в виде легко заменяемых пе-
чатных схем. Выходной сигнал спирального потенциометра упра-
влял простым потенциометрическим сервомножителем, который
умножал сигнал фотоумножителя на функцию коррекции.
Гамильтон использовал решеточный спектрометр с бараба-
ном, линейным по длинам волн, и с помощью второго многокон-
тактного спирального потенциометра, соединенного механически
с первым, он автоматически регистрировал спектры со шкалой,
линейной уже в волновых числах. Система второго потенцио-
метра была отрегулирована так, чтобы сразу переводить длины
ьолн в волновые числа, а выход с него подавался на ось абсцисс
двухкоординатного самописца. С помощью описанных устройств
можно осуществить запись спектров, линейных в длинах волн
или в волновых числах, как с призменным, так и с решеточным
монохроматорами.
246
ГЛАВА lit
Л. ИЗМЕРЕНИЕ КВАНТОВОГО ВЫХОДА ФЛУОРЕСЦЕНЦИИ
1. Абсолютный квантовый выход флуоресценции
Для прямого определения выхода флуоресценции необходимо
сравнить скорость поглощения возбуждающего света 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 возбуждающего света, рассеиваемого полно-
стью рассеивающей матовой поверхностью. Основных трудно-
стей и поправочных факторов в этом методе удалось избежать
за счет помещения образца или матовой поверхности в интегри-
рущую сферу, аналогичную описанной Форстером и Ливингсто-
ном [173]. Трудность сравнения квантовой интенсивности возбу-
ждающего света с интенсивностью полихроматической флуорес-
ценции устраняется использованием в качестве детектора счет-
чика квантов (раздел III, 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 легко определить сравнением со стандарт-
ным веществом (см. ниже). К наиболее поздним публикациям,
кроме тех, о которых уже говорилось, относятся статья Фёрстера
(см. список общей литературы), в которой дан обзор методов из-
мерения, Мельюиша [141,175], Гилмора, Гибсона и Мак-Клюра
[176], а также Прингсгейма [126]. Метод, предложенный Вебером
и Тилом [142], является в некотором отношении абсолютным ме-
тодом, поскольку в нем не требуется сравнения со стандартным
флуоресцирующим раствором. Он также имеет то преимуще-
ство, что применим к разбавленным растворам, в которых эф-
фекты поглощения малы. В этом методе интенсивность флуорес-
ценции сравнивается с интенсивностью возбуждающего света,
рассеиваемого разбавленным раствором гликогена. Доля воз-
буждающего света, рассеиваемого раствором гликогена, опреде-
ляется по оптической плотности последнего. В основе метода
лежит дипольное рассеяние раствором гликогена, и иногда на
практике наблюдается разброс в пределах ±5% в рассеиваю-
щей способности растворов одинаковой оптической плотности.
Это основной источник ошибки. Принимая во внимание эти
ошибки, авторы оценили, что квантовые выходы определены ими
с точностью 7—10%. Это, вероятно, лучше, чем точность других
абсолютных методов. Ниже (см. табл. 25) приведены некоторые
данные из работ Вебера и Тила, а также данные других авто-
ров с использованием абсолютных и относительных методов.
АППАРАТУРА И МЕТОДЫ ЭКСПЕРИМЕНТА
247
2. Определение относительных квантовых выходов
флуоресценции
Определение относительных квантовых выходов флуоресцен-
ции двух веществ ё растворе при комнатной температуре являет-
ся довольно простой операцией [158]. Используя современные
спектрофлуориметры высокой чувствительности, можно работать
с очень разбавленными растворами, когда избыточным погло-
щением возбуждающего света и самопоглощением флуоресцен-
ции можно пренебречь. При этих условиях полная скорость ис-
пускания флуоресценции пропорциональна произведению I^zcl^f
[см. уравнение (21)]. Площадь под исправленным спектром флу-
оресценции также пропорциональна полной скорости испускания
флуоресценции (см. раздел III, К, 3), и, следовательно, если из-
мерять спектры флуоресценции двух растворов при таком же
геометрическом расположении (в одном и том же растворителе)
и одинаковой интенсивности возбуждающего света, отношение
интенсивностей равно
F2 _ <?2 _ Площадь 2 _ /0e2c2Z(p2 _ / фа \ Р2 (9Д7}
Fi Q\ Площадь 1 /ое^^ф! \ Ф1 / Dr ' '
Если известен абсолютный квантовый выход флуоресценции
одного из веществ фЬ легко можно вычислить квантовый выход
флуоресценции другого вещества. Практически записывают оба
неисправленных спектра в разных опытах и исправляют их, как
описано в разделе III, К, 3. Затем измеряют площади под испра-
вленными спектрами и для каждого вещества вычисляют отно-
шение площади исправленного спектра к высоте неисправленного
пика 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 F2/Fi, которое подставляют в урав-
нение (247).
Отношение интенсивностей флуоресценции, измеренных при-
бором (F2/Fi), равно отношению абсолютных скоростей испу-
скания флуоресценции двух растворов (Q2/Q1) только в том слу-
чае, если геометрическое расположение образца и оптических
деталей одинаково для обоих измерений. Изменение показателя
преломления (п) раствора приводит к изменению углов, под
которыми лучи покидают границу плоскость кюветы — воздух
[184]. Так, если два сравниваемых вещества растворены в раз-
ных растворителях, то наблюдаемые интенсивности флуоресцен-
ции нужно умножить на п2. При использовании бисульфата хи-
нина в водной 0,1 н. серной кислоте в качестве стандартного
вещества отношение п2(растворитель)/п2(вода) соответствует пд-
правке 27% для бензола и 5,5% для этанола,
248
ГЛАВА III
3. Меры предосторожности
При измерении относительных выходов флуоресценции необ-
ходимо избегать ошибок за счет эффектов внутреннего фильтра,
немонохроматичности возбуждающего света, флуоресценции
кювет, тушения кислородом и фоторазложения. Ошибки, обу-
словленные первыми двумя факторами, в принципе легко устра-
нимы, но на практике на них часто не обращают внимания.
Уравнение (21) применимо лишь в том случае, если доля воз-
буждающего света, поглощаемая раствором, пренебрежимо
мала. Оптическая плотность 0,01 (см. раздел 111,3,2) будет да-
вать ошибку 2,3% в интенсивности наблюдаемой флуоресцен-
ции. Поэтому по возможности оптическая плотность не должна
превышать этой величины. Если выход флуоресценции и чув-
ствительность прибора малы и приходится использовать боль-
шие оптические плотности, необходимо вводить поправку на по-
глощение возбуждающего света (раздел 111,3,2) или, что
лучше, подбирать одинаковые оптические плотности двух рас-
творов. Оптическая плотность не должна превышать 0,4 на
1 см, если 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 оптические плоГ.Ьсти приходится использовать редко.
При работе с разбавленными растворами необходима осто-
рожность при определении оптической плотности для подста-
новки в уравнение (247). Для получения достаточно надежных
результатов с растворами, имеющими оптическую плотность 0,01
на 1 см, следует использовать кювету толщиной 10 см. Надо
быть уверенным, что растворы не содержат следов мути или
взвешенных пылинок, иначе возможны значительные ошибки при
определении оптической плотности в слое раствора толщиной
10 см. С другой 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 поглощения и флуоресценции заметно перекры-
ваются, то следует избегать ошибок за счет самопоглощения
флуоресценции (см. раздел III, 3, 2). Наиболее простой способ —
использование достаточно разбавленных растворов, чтобы само-
поглощением можно было пренебречь. Если, однако, надо про-
водить измерения с более концентрированными растворами, то
следует определить истинную форму спектра флуоресценции,
измеряя флуоресценцию более разбавленного раствора. Таким
образом можно установить соотношение между площадью ис-
правленного спектра и интенсивностью при длине волны X вне
рбласти самопоглощения. С помощью этого соотношения можно
АППАРАТУРА И МЕТОДЫ ЭКСПЕРИМЕНТА
249
определить исправленную площадь испускания в более концен-
трированном растворе, измеряя интенсивность флуоресценции
последнего при той же длине волны Л. Такое измерение, однако,
не исключает увеличения испускания за счет поглощения света
флуоресценции в области перекрывания.
Большие ошибки при определении выхода флуоресценции
могут возникать, если возбуждающий свет не будет монохрома-
тическим. Например, ртутная линия 313 нм слабо поглощается
антраценом, а ртутная линия 254 нм поглощается 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, которая
наблюдалась бы, если для возбуждения использовалась чистая
линия 313 нм. Так как сравниваемые вещества не всегда имеют
одинаковую разницу в поглощении двух линий, в измеряемое
отношение выходов флуоресценции можно внести существенную
ошибку. Следует отметить, что даже если для выделения ртут-
ной линии используется монохроматор, в прошедшем через него
свете может находиться большая доля рассеянного света неже-
лательных длин волн. Поэтому следует проверять чистоту воз-
буждающего света. Это можно сделать, определяя спектральное
распределение света после отражения от поверхности окиси маг-
ния или (проще, но менее точно) наполняя кювету слегка мут-
ным, но прозрачным раствором и измеряя спектр рассеянного
света.
Значительные ошибки при измерении оптической плотности
могут возникать, если спектр поглощения в исследуемой обла-
сти довольно крутой. Большинство ртутных «линий» состоит из
ряда тесно расположенных линий или уширенной линии, если
используется лампа высокого давления. Свет, выделяемый моно-
хроматором из излучения ксеноновой лампы, обычно содержит
даже еще более широкие полосы. Поэтому, если спектр погло-
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-
буждающего света. В частности, не вводится поправка на при-
сутствие небольшой доли света с сильно отличающейся длиной
волны, для которой коэффициент поглощения во много раз
больше, как в случае с антраценом, описанном выше. Из-за
трудности получения точных значений поглощения для полихро-
матического 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
250
ГЛАВА Ш
и растворителя. В гл. 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. Всегда следует проверять флуоресценцию
чистого растворителя при тех же условиях, в которых измеряет-
ся и флуоресценция самого раствора. Если она значительна,
получаемый спектр следует вычитать из спектра раствора до его
исправления.
Для веществ, имеющих относительно долгоживущую флуо-
ресценцию, существенное значение может иметь тушение рас-
творенным воздухом. Воздух обычно удаляют, пропуская перед
измерением через раствор ток азота.
4. Стандартные флуоресцирующие вещества
Один из наиболее широко используемых стандартных рас-
творов— это раствор бисульфата хинина в разбавленной сер-
ной кислоте. Его используют как стандарт сравнения для про-
верки чувствительности спектрофлуориметра (раздел Ц1,Ж, 1)>
как стандарт для определения чувствительности прибора (раз-
дел V, Б, 2), как стандарт для определения кривой спектраль-
ной чувствительности в коротковолновой области z видимого
спектра (раздел III, К, 3) и как стандарт для определения вы-
хода флуоресценции (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 квантовый выход равен 0,508 при концентрации
5 • 10“3 М с константой самотушения 14,5, соответствующей
квантовому выходу при бесконечном разбавлении, равному
0,546 при 25° С или 0,553 при 20° С. Последняя величина спра-
ведлива до концентрации приблизительно 10“3 М. Стандартный
бисульфат хинина (молекулярный вес 548,6) лучше всего гото-
вить многократной перекристаллизацией соли из воды. Он кри-
сталлизуется с семью молекулами воды, которую удаляют, вы-
сушивая образец в вакууме над силикагелем. Безводная соль
гигроскопична. Семиводный гидрат окрашен.
В табл. 25 приведены квантовые выходы флуоресценции
ряда веществ в разных растворителях. Некоторые из этих ве-
ществ можно использовать вместо бисульфата хинина в каче-
стве стандартного вещества. Довольно доступным является ан-
трацен, который можно легко очистить зонной плавкой. Паркер
и Рис [158] исследовали некоторые другие вещества в качестве
стандартов для флуоресцентных измерений. Щелочные рас-
творы эозина непригодны из-за их быстрого разложения. Силь-
нощелочные растворы флуоресцеина разлагаются медленно, а
слабощелочные растворы (pH 9,6 в карбонат-бикарбонатном
Тс
Квантовые выходы флуоресценции в растворе (20—25° С]
Вещество Растворитель Метод Длина волны возбужде- ния, нм
Аценафтен Этанол Аа (0,30) 313 0,39
Циклогексан ДФА (1,0) 303 0,60
Акридиновый Этанол Аа (0,30) 366 0,46
оранжевый
с НС1
Антрацен Бензол Абсолютн. 366 0,26
» » 366 0,29
X (0,55) 366 • 0,24
Этанол Абсолютн. 366 0,27
» 254 0,30
X (0,55) 366 0,30
X (0,55) ’ 366 0,30
Г ексан Абсолютн. 254 0,31
» X (0,55) 366 0,29
Циклогексан ДФА (1,0) 254 0,36
Антраниловая Бензол Абсолютн. 366 0,58
кислота Этанол » 366 0,59
1,2-Бензантрацен Аа (0,30) 366 0,20.
Бензол » Аа (0,30) 248 0,04
Циклогексан ДФА (1,0) 254 0,07
Бенз-(а)-пирен Этанол Аа (0,30) 366 0,42
Хлорофилл а Абсолютн. 644 0,23
Метанол 644 0,23
» » 0,24
Эфир 644 0,32
» » 0,24
Хлорофилл b Этанол » 644 0,10
Метанол » 644 0,10
» 0,06
Эфир » 644 0,12
0,11
Хризен Этанол Аа (0,30) 313 0,17
Циклогексан ДФА (1,0) 313 0,14
9,10-Диметил- Этанол Аа (0,30) 366 0,89
антрацен
9, 10-Дифенил- Бензол Абсолютн. 366 0,84
антрацен X (0,55) 366 0,81
» Аа (0,24) 366 0,80
Этанол Абсолютн. 366 0,81
» X (0,55) 366 0,76
Аа (0,29) 366 1,0
Аа (0,30) 366 0,89
Эозин Вода Абсолютн. 366 0,16
Водный NaOH 366 0,19
То же РБ (0,73) 467 0,23 -
РБ (0,73) 492 0,21
РБ (0,73). 366 0,23
Продолжение табл. 25
Вещество Растворитель Метод Длина волны возбужде- ния, нм <pf Литера- тура
Флуорантен Этанол Аа (0,30) 366 0,21 36
Флуорен » Абсолютн. 254 0,54 142
Г ексан » 254 0,54 142
Циклогексан ДФА (1,0) 265 0,80 177
Флуоресцеин Водный NaOH 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
1-Метоксинаф- Этанол Аа (0,30) 313 0,53 104
талин
N-Метилакриди- Вода Абсолютн. 366 1,01 142
нийхлорид
2-Метилантрацен Этанол Аь (0,29) 366 0,24 23
9-Метилантрацен » Аа (0,30) 366 0,33 179
» Аь (0,29) 366 0,38 23
• Циклогексан ДФА (1,0) 254 0,35 177
Нафталин Этанол Абсолютн. 254 0,12 142
» Аа (0,30) 313 0,21 104
Г ексан Абсолютн. 254 0,10 142
Циклогексан ДФА (1,0) 265 0,23 177
2-Нафтиламин Бензол Абсолютн. 366 0,50 175
Перилен » » 366 0,89 175
» 0,98 182
Этанол Абсолютн. 366 0,87 175
Циклогексан ДФА (1,0) 254 0,94 177
Фенантрен Этанол Абсолютн. 254 0,10 142
» Аа(0,30) 313 0,13 104
Фенол » Аа (0,30) 248 0,16 160, 161
Вода Абсолютн. 254 0,22 142
Циклогексан 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 X (0,55) 366 0,46 103
Циклогексан ДФА (1,0) 365 0,49 177
Профлавина Этанол Аа (0,30) 366 0,40 36
хлоргидрат
Пирен » Аа (0,30) 313 0,72 104
Циклогексан ДФА (1,0) ЗГЗ 0,32 177
Хинина бисуль- 1,0 н. H2SO4 Абсолютн. 366 0,55 175
фат
Родамин Б Этанол 535 0,97 142
» X (0,55) 366 0,73 158
АППАРАТУРА И МЕТОДЫ ЭКСПЕРИМЕНТА
253
Продолжение табл. 25
Вещество Растворитель Метод Длина волны возбужде- ния, нм <pf Литера- тура
Рубрен «-Гептан Абсолюта. 436 1,02 173
Тионин 0,1 н. H2SO4 РБ (0,73) 546 0,02 158
Толуол Г ексан 254 0,23 183
Циклогексан ДФА (1,0) 265 0,17 177
Трифенилен Этанол Аа (0,30) 313 0,09 104
Циклогексан ДФА (1,0) 265 0,08 177
Примечания. Значения, приведенные в столбце 3, относятся к следующим
стандартным растворам: Аа — антрацен в этаноле. А^ — антрацен в бензоле, ДФА — 9,10-ди-
фенилантрацен в циклогексане, X — бисульфат хинина в разбавленной H2SO4, РБ — рода-
мин Б в этаноле.
“ >
буфере) более устойчивы. Однако поглощение при 366 нм до-
вольно слабое, так как следы примесей, поглощающих в этой
области, могут привести к большим ошибкам. Родамин Б в
спирте устойчив и довольно сильно поглощает 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 известными абсолютными значениями и в конце
концов исправлять последние, где возможно. Особенно необхо-
димо исправлять абсолютные значения квантового 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 10%. Максимальное значение квантового выхода
флуоресценции имеют 9,10-дифенил антрацен (0,76—1,0), щелоч-
ной раствор флуоресцеина (0,79—0,92) и перилен (0,87—0,98).
Косвенным подтверждением таких высоких значений служат
низкие выходы образования триплетов (см. разделы IV, А, 4—6).
Например, низкий выход образования триплетов перилена соот-
ветствует его высокому квантовому выходу флуоресценции.
М. ИЗМЕРЕНИЕ ВРЕМЕНИ ЖИЗНИ ФЛУОРЕСЦЕНЦИИ
Имеется два типа приборов для прямого измерения скоро-
стей затухания флуоресценции — фазовые и импульсные флуо-
рометры. Описаны разнообразные приборы обоих типов. Мы
254
ГЛАВА III
рассмотрим здесь принципы методов и укажем несколько ссы-
лок, чтобы в случае необходимости можно было ознакомиться
более подробно.
1. Фазовые флуорометры
В фазовых флуорометрах флуоресценция возбуждается с по-
мощью пучка света, модулированного высокой частотой. Фаза,
или степень модуляции, флуоресценции ^сравнивается с фазой
возбуждающего света. Для флуоресценции, затухающей экспо-
ненциально со временем жизни т, сдвиг фаз § между флуорес-
ценцией и возбуждающим светом определяется следующим вы-
ражением:
сот = tg (248)
где со — угловая скорость модуляции [185, 186]. Сигналы от ис-
точника света .и флуоресцирующего образца подаются'на схему,
которая регистрирует определенный сдвиг по фазе между ними.
Между двумя сигналами существует задержка, служащая ну-
лем регистрирующей схемы. Например, Бейли и Роллефсон ис-
пользовали схему, которая определяет разность двух сигналов,
и, таким образом, когда два выходных сигнала находятся в
фазе, схема имеет минимальный сигнал на выходе. Использо-
вались также другие схемы [185, 187—189].
Второй метод измерения g основан на определении степени
модуляции двух сигналов [191]. Очевидно, что чем больше
время жизни флуоресценции, тем меньше степень ее модуляции.
Степень “модуляции в пучке возбуждающего света (ms) и в пучке
флуоресценции (/И/) связаны с g соотношением
fnf/tns = cos %. (249)
Степень модуляции mf или ms определяется путем измерения
отношений переменной ia и постоянной id компонент в исследуе-
мом пучке:
m — ialid-' (250)
Для экспоненциального затухания величины g, полученные
двумя методами, хорошо совпадают. Расхождение указывает на
неэкспоненциальное затухание. Одним из основных недостат-
ков фазового флуорометра является трудность интерпретации
результатов при неэкспоненциальном затухайии, хотя Бирке,
Дайсон и Мунро [192] использовали его и в этцм случае.
В первых фазовых флуорометрах для модуляции светового
пучка применяли поляризованный возбуждающий свет и эф-
фект Керра. В этом случае на жидкость или кристалл с электро-
АППАРАТУРА И МЕТОДЫ ЭКСПЕРИМЕНТА
255
оптическим эффектом действует сильное высокочастотное поле.
В дальнейшем для модуляции света стали использовать явление
дифракции света на ультразвуковых стоячих волнах в жидкости
(образующихся с помощью кристалла кварца); на эту своеоб-
разную дифракционную решетку падает пучок возбуждающего
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].
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 определяемого времени жизни. Затуха-
ние флуоресценции регистрируется с помощью осциллографа.
Принцип измерения аналогичен определению времен жизни фос-
форесценции и замедленной флуоресценции в миллисекундной
области, хотя, конечно, при частотах, соответствующих скоро-
стям затухания флуоресценции, невозможно механическим спо-
собом создавать импульсы возбуждающего света. Для этой
цели используются два метода. В первом фотоумножитель ра-
ботает в импульсном режиме и имеет высокую чувствительность
в течение времени в несколько раз больше определяемого вре-
мени жизни; сигнал фотоумножителя регистрируется осцилло-
графом и фотографируется [194]. Обычно для получения интен-
сивности, достаточной для фотографической регистрации, необ-
ходимо повторять эту операцию несколько тысяч раз. Бирке,
Кинг и Мунро [195] использовали стробирующий осциллограф
и записывали получающиеся кривые на самописец. В другом
методе фотоумножитель работает в импульсном режиме и
включается на период времени меньше определяемого времени
жизни. Импульсный источник и фотоумножитель включаются
с частотой' повторения несколько тысяч в секунду, но с некото-
рой задержкой. Кривая затухания флуоресценции определяется
путем изменения задержки между возбуждением и регистра-
цией. Сигнал с фотоумножителя после усиления регистрируется
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 этого использовали водородные им-
пульсные лампы [193, 195, 197] и электрический разряд в воздухе
[198]. Позже будут описаны некоторые применения непосред-
ственно измеряемого затухания флуоресценции.
256
ГЛАВА III
(252)
(253)
3. Косвенный метод
Время жизни флуоресценции можно косвенно определить из
опытов по тушению флуоресценции.
В реакции
1D* + 1Q->1D + 1Q* (251)
перенос энергии может происходить как путем дальнего диполь-
дипольного взаимодействия (см. раздел II, Б, 6), так и путем
столкновений между реагентами. Для акцепторов с малым ко-
эффициентом экстинкции, таких, как диацетил, вклад дальнего
взаимодействия ничтожен [199], и тогда, измеряя константу
Штерна — Фольмера для тушения в приведенной выше реакции
[уравнение (75)], можно определить величину kQTQ. Частота
встреч в растворе между сферическими молекулами с одинако-.
выми радиусами г выражается так [181]:
c 3000ц L (t0D)1/2 J ’
Коэффициент диффузии D равен
D = йТДЗлцг),
где т] — вязкость растворителя.
Первый член уравнения (252) соответствует стационарному
решению уравнения диффузии [т. е. оно равноценно уравнению
(80)]. Второй, или переходный, член имеет малое значение для
жидких растворов при комнатной температуре. Дюбуа и Ван Хе-
мерт [200] измерили kQ%Q для нафталина, бензола и 12 алкилбен-
золов при тушении диацетилом, а затем вычислили то из обыч-
ного уравнения диффузии и из уравнения (252), т. е. включая
переходный член. Уравнение (252) дало несколько меньшие зна-
чения, согласующиеся со значениями т0, полученными на фазо-
вом флуорометре Ивановой и сотр. [201]. Поэтому, используя
диацетил и принимая, что тушение лимитируется диффузией, из
констант Штерна — Фольмера можно определить время жизни
флуоресценции. Этот метод в аппаратурном отношении проще,
чем измерения с помощью фазового и импульсного флуоромет-
ров *.
* Эйзенталь [Eisenthal К. В., Chem. Phys. Letters, 6, 155 (1970)] описал
интересную методику косвенного измерения очень коротких времен жизни
возбужденных состояний (~10‘и с). Импульс поляризованного света от не-
одимового лазера с удвоением частоты (длина волны 5300 А) частично по-
глощается образцом, и последний обедняется невозбужденными молекулами
с определенной поляризацией (они переходят в возбужденное состояние).
Прошедший свет после отражения от слюдяной пластинкц возвращается к
образцу, но уже с другой поляризацией и с некоторой задержкой (которая
определяется расстоянием между образцом и пластинкой), В эксперименте
АППАРАТУРА И МЕТОДЫ ЭКСПЕРИМЕНТА
257
Н. ИЗМЕРЕНИЕ ДОЛГОЖИВУЩЕЙ ЛЮМИНЕСЦЕНЦИИ
Почти все приборы, используемые для измерения обычной
флуоресценции, применимы для изучения долгоживущей люмине-
сценции. Мы обсудим здесь лишь некоторые модификации при-
боров, необходимые для измерения долгоживущей люминесцен-
ции, и некоторые дополнительные факторы, которые следует
принимать во внимание.
/. Спектрофосфориметр
Для разделения обычной флуоресценции и фосфоресценции
или замедленной флуоресценции необходимо периодически пре-
рывать пучок возбуждающего света и регистрировать испускание
только в течение темнового периода, т. е. когда короткоживущая
флуоресценция оказывается полностью затухшей. Первый фос-
фороскоп, сконструированный Беккерелем [202], состоял из двух
круглых дисков, помещенных на одной оси. Диски имели отвер-
стия, вырезанные по окружности, причем отверстия первого
диска не совпадали с отверстиями второго диска. Образец поме-
щали между дисками, и при вращении дисков он освещался
прерывистым возбуждающим светом, проходящим через отвер-
стия в первом диске, а испускание регистрировалось во время
темнового периода через отверстия во втором диске. Льюис и
Каша [30] помещали образец в полый цилиндрический стакан,
имеющий вырезы в боковой стенке, так что при вращении ста-
кана вокруг его оси образец освещался возбуждающим светом,
проходящим через вырез, и люминесценция регистрировалась
через тот же самый вырез. Аналогичное расположение исполь-
зуется в некоторых продажных спектрофосфориметрах. При
обоих этих расположениях можно измерить только долгоживу-
щее испускание, для измерения общей люминесценции вращаю-
щиеся диски или стаканы надо удалить. Бауэр и Бачинский [18]
использовали другое расположение, состоящее из одного диска
с прорезями, прикрепленного к цилиндрическому стакану, имею-
щему две прорези, расположенные под углом 180° одна к другой.
При вращении диска и стакана образец освещался прерывистым
светом через отверстие в диске, а люминесценцию наблюдали
через прорези в цилиндре. Можно подобрать относительное рас-
положение отверстий в диске так, чтобы они или совпадали, или
находились в противофазе с прорезями цилиндра. В этом случае
измеряется зависимость от времени задержки анизотропии поглощения образ-
цом отраженного импульса. Скорость исчезновения анизотропии в маловя^ких
растворах определяется вращением молекул, а в вязких — временем жизни
возбужденных состояний. Этим методом автор исследовал перенос энергии
в растворах родамина 6Ж в глицерине. — Прим, ред.
258
Глава lit
фотоумножитель регистрирует либо сумму короткоживущей и
долгоживущей люминесценции, либо только долгоживущую лю-
минесценцию.
Все эти приспособления в некоторой степени неудобны, так
как они ограничивают выбор геометрического расположения
прибора и размер кюветного отделения. Ограничения обусловле-
ны тем, что необходимо иметь механическую связь между преры-
вателем пучка возбуждающего света и прерывателем пучка
Рис. 103. Схема спектрофосфориметра [19].
L —источник света; Mit М2— монохроматоры; D2 — диски прерывателей, вращаемых
синхронными моторами; В —пластинка из двуокиси кремния для рассекания пучка света;
F — кювета толщиной 0,5 мм из двуокиси кремния, содержащая флуоресцирующий ра-
створ; Pj--управляющий фотоумножитель; Рг —фотоумножитель флуоресценции —фосфо-
ресценции; Q —сосуд Дьюара из плавленого кварца с кюветой для образца.
люминесценции. Паркер устранил эту трудность, используя два
диска, вращаемые отдельными синхронными моторами [19,203].
Сдвиг по фазе между двумя дисками остается постоянным за
счет того, что оба мотора питаются от одного источника пере-
менного тока с частотой 50 Гц. Поворачивая корпус одного из
моторов вокруг оси вращения, устанавливают прерыватели в
фазе или противофазе, не останавливая их, и сразу же последо-
вательно регистрируют долгоживущую люминесценцию и сумму
обычной и долгоживущей люминесценции. Используя это при-
способление, можно легко преобразовывать спектрофлуориметр
в спектрофосфориметр; для этого лишь нужно установить один
прерыватель у выходной щели монохроматора возбуждения и
второй — у входной щели анализирующего монохроматора
(рис. 103). Это расположение имеет то преимущество, что прибор
можно использовать как спектрофлуориметр, установив прерьь
ватели в фазе.
АППАРАТУРА И МЕТОДЫ ЭКСПЕРИМЕНТА
259
Для измерения интенсивности и спектра долгоживущей лю-
минесценции удобно использовать частоту прерывания 800 Гц.
Такую частоту можно получить с помощью диска, имеющего
16 прорезей и вращаемого мотором со скоростью 3000 об/мин.
Чтобы избежать утечки света на ребрах прорезей диска преры-
вателя, время освещения на обоих дисках выбирается несколько
меньше, чем темновое время, причем наиболее оптимальным
является вариант, когда возбуждающий свет пропускается в те-
чение V4 периода, а свет люминесценции — в течение 7з периода.
б
Г Второй
[ прерыватель
j (не в фазе)
Второй
прерыватель
(в фазе)
Рис. 104. Соотношение между фазой прерывателя и интенсивностью фос-
форесценции. Сплошная линия соответствует интенсивности фосфоресцен-
ции [203].
Схема работы этих прерывателей показана на рис. 104. Верхняя
диаграмма а представляет в идеальном виде фазу первого пре-
рывателя, т. е. пунктирная кривая изображает периодическое
изменение интенсивности возбуждающего света, падающего на
образец. Пунктирная кривая характеризует также изменение ин-
тенсивности обычной флуоресценции, так как она появляется и
затухает за время, пренебрежимо малое по сравнению с перио-
дом прерывания. Сплошная линия на диаграмме а показывает
возрастание и затухание долгоживущей люминесценции во время
светового и темнового периодов. На диаграмме б показано поло-
жение второго прерывателя в противофазе, в этом случае фото-
умножитель регистрирует только долгоживущую люминесценцию
за период, соответствующий средней точке темнового периода.
На диаграмме в изображено положение второго прерывателя
в фазе. В этом случае фотоумножитель регистрирует как обыч-
ную флуоресценцию за время так и долгоживущую люминес-
ценцию за время /3.
260
ГЛАВА III
2. Коэффициент фосфориметра
Если время жизни долгоживущей люминесценции достаточно
велико по сравнению с /2 и /3 (рис. 104), то уменьшение интен-
сивности за время /2 будет пренебрежимо мало и интенсивность
в течение полного цикла будет практически постоянной. При по-
ложении в противофазе фотоумножитель будет измерять долю
общей долгоживущей люминесценции, равную /3/(6 + ^) или
Рис. 105. Спектры флуоресценции и фосфоресценции фенантрена (10“3 М)
с примесями в смеси эфир — пентан — этанол при 77 К [203].
А —флуоресценция плюс фосфоресценция (прерыватели в фазе); Б — фосфоресценция (пре-
рыватели в противофазе). Интенсивность первой полосы флуоресценции мала из-за самопо-
глощения. Возбуждение при 3,19 мкм-1 (313 нм); кварцевый анализирующий монохрома-
тор с фотоумножителем типа 9558Q; полуширина полосы при 2,5 мкм-1 составляет
0,019 мкм-1.
/з//с, где /с — время полного цикла. Чтобы определить полную
скорость испускания в цикле при t3/tc = 7з, наблюдаемую интен-
сивность долгоживущей люминесценции нужно разделить на 7з.
Очевидно, что интенсивность долгоживущей люминесценции при
синфазной установке прерывателей будет равна ее интенсивности
при их антифазной установке, и, следовательно, интенсивность
быстрой флуоресценции можно определить по разности получае-
мых интенсивностей, зарегистрированных при двух положениях
прерывателей. В качестве примера на рис. 105 приведены два
спектра раствора фенантрена с примесью при 77 К, время жизни
фосфоресценции фенантрена 7\ ->S0 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
АППАРАТУРА И МЕТОДЫ ЭКСПЕРИМЕНТА
261
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 этого сравнивать
их со спектром флуоресценции.
Если время жизни долгоживущей люминесценции имеет тот
же порядок, что и время темнового и светового периодов, долго-
живущая люминесценция будет затухать в течение темнового
периода до того, как будет зарегистрирована фотоумножителем,
и для получения полной скорости испускания долгоживущей лю-
минесценции в цикле наблюдаемую интенсивность надо раз-
делить на коэффициент фосфориметра, меньший /3//с. Коэффи-
циент фосфориметра, или отношение наблюдаемой интенсивности
долгоживущей люминесценции в противофазе (Ро) к полной ско-
рости испускания долгоживущей люминесценции (Р), можно вы-
числить, сделав два допущения. Первое допущение состоит
в том, что долгоживущая люминесценция затухает экспоненци-
ально, а второе — что время прерывания возбуждающего света
первым прерывателем мало по сравнению с полным временем
цикла (т. е. фронт нарастания интенсивности возбуждающего
света крутой). При не очень узкой входной щели монохроматора
возбуждения второе допущение выполняется лишь приближенно.
При этих двух допущениях коэффициент фосфориметра выра-
жается так *:
•Т-[exp {- (4 - /3)/2т} - exp {- (t2 + /3)/2г}],
(254)
* Автор упускает из виду то обстоятельство, что коэффициенты фосфори-
метра для фосфоресценции и для замедленной флуоресценции типа Р сле-
дует вычислять по-разному, поскольку они связаны различной (линейной и
квадратичной соответственно) зависимостью с концентрацией триплетов. При
этом нужно принять во внимание, что та интенсивность фосфоресценции (или
концентрация триплетных молекул), которая достигается к моменту также
зависит от соотношения между временем жизни и частотой прерывания. Если
Ps — предельная (стационарная) интенсивность фосфоресценции, которая по-
лучилась бы в отсутствие прерывания, a Pi — интенсивность в момент t\ (см.
рис. 104), то нетрудно получить
р _р 1 — ехр(- /i/т)
1 « 1 — exp (— tc/r)
(1)
При быстром прерывании (т > tc, ti)Pi = Ps(ti/tc), т. е. предельная ин-
тенсивность не успевает установиться и Pi представляет собой полную ско-
рость испускания Р. При медленном прерывании (т < te) Pi = Ps, т. е.
предельная интенсивность успевает установиться. В промежуточном случае
[к которому и относится формула (254)] связь между Ps (эта величина одно-
значно определяется интенсивностью поглощенного света, выходом триплетов
и их временем жизни) и Pi дается формулой (1) Во всех случаях, однако,
поглощается одна и та же доля возбуждающего света. Для вычисления
262
ГЛАВА III
где т — время жизни долгоживущей люминесценции. Для /с ==
= 1/800с, h = /с/4, /2 = 3/с/4 и t3 = tc/3 коэффициент фосфори-
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 долгоживущей люминесценции с временем
жизни больше 5 мс наблюдаемая интенсивность при антифазной
установке составляет !/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 долгоживущей люминес-
ценции с временем жизни меньше 1 мс приходится проводить
в условиях, когда быстрая флуоресценция в несколько раз интен-
сивнее, как, например, при измерениях замедленной флуоресцен-
ции в жидких растворах. Тогда интенсивность общего испуска-
ния при положении в фазе идентична интенсивности быстрЬй
флуоресценции. Однако есть соединения, для которых быстрая
флуоресценция в жидких растворах слаба, а фосфоресценция
относительно интенсивна. Как правило, полоса фосфоресценции
не перекрывается с полосой флуоресценции и для получения
спектральной кривой флуоресценции в измерениях при положе-
нии в фазе нет необходимости вводить поправку. На рис. 106
наблюдаемой интенсивности фосфоресценции в противофазе (Ро) нужно усред-
нить по полному циклу сигнал, наблюдаемый в течение времени /3:
h
J Pt exp {— (Z2 — /3)/2т} exp (— t/x) dt
Л> = ----------------t----------------. (2)
Tc
J"'
0
Принимая во внимание уравнение (1), получим
-^ = -Г [ ‘.^Хп^-У/тА 1 [ехр {-(/2 “ /з)/2т} “ ехр {~ + /з)/2т}1- &
тс L 1 ехР( J
Уравнение (3) совпадает с уравнением (254) только в том случае, если
Р — Ps(ti/tc). Но последнее соотношение, как мы видели, относится только
к случаю быстрого прерывания, когда 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 книге, поскольку работал он в условиях быстрого прерыва-
ния, а скорость поглощения (среднюю) измерял с включенным прерывателем.
Подробное обсуждение способов определения множителя фосфориметра и
квантовых выходов фосфоресценции и замедленной флуоресценции см. Par-
ker С. Л., Chem. Phys. Letters, 6, 516 (1970); Razi Naqvi Chem. Phys.
Letters, 5, 171 (1970); 6, 518 (1970). — Прим. ped.
АППАРАТУРА И МЕТОДЫ ЭКСПЕРИМЕНТА
263
приведен один из примеров подобных спектров — спектр раство-
ра нафто-Г, 2х, 3, 4-[1, 2, 5-селенодиазола] (другое название —
3, 4-бензопиазселенол) (см. раздел V, Г, 2). Это соединение имеет
слабую полосу флуоресценции с максимумом около 2,5 мкм-1.
В спектре деаэрированного раствора появляется вторая полоса
в желтой области (1,7 мкм-1), обусловленная фосфоресценцией
Волновое число, мкм-1
Рис. 106. Люминесценция 3,4-бензопиазселенола в деаэрированном цикло-
гексане при 20° С [203].
Л —флуоресценция плюс фосфоресценция (прерыватели в фазе); Б — фосфоресценция (пре-
рыватели в противофазе); возбуждение при 2,73 мкм”1 (366 нм); кварцевый анализирующий
монохроматор с фотоумножителем типа 9558Q; полуширина полосы при 2,5 мкм”1 равна
0,024 мкм-1.
с временем жизни около 0,3 мс. Наблюдаемая интенсивность
этой полосы при синфазной установке больше, чем при антифаз-
ной. Отношение наблюдаемой интенсивности в фазе (Pi) к ин-
тенсивности в противофазе (Pq) можно вычислить, если исполь-
зовать два предположения, относящиеся к уравнению (254). По-
лучим
Pi____Р_____[ехр {— (t3 — /1 )/2т} — ехр {— (2/2 — /3 + М/2т}]
Ро “ Ро [ехр {- (t2 - /3)/2т) - ехр {- (/2 + /3)/2т}] ‘
3. Метод фазовых прерывателей и определение
потерь света на прерывателе
Для установки регулируемого прерывателя в фазе и противо-
фазе требуется сильно флуоресцирующий раствор, не имею-
щий долгоживущей люминесценции. Для этой цели пригоден
264
ГЛАВА Ш
неоткачанный раствор флуоресцеина или другого сильно флуо-
ресцирующего соединения; в присутствии воздуха триплетное
состояние флуоресцирующего вещества очень сильно потушено,
поэтому интенсивность замедленной флуоресценции и фосфорес-
ценции пренебрежимо мала. При чувствительности XI (см. раз-
дел III, Ж, 4) подбирают такую длину волны и ширину щелей
монохроматора флуоресценции, чтобы получить отклонение пера
самописца почти на всю шкалу. Мотор прерывателя (обычно
в пучке возбуждающего света) поворачивают до тех пор, пока
отклонение не становится максимальным. Это означает, что пре-
рыватели вращаются в фазе. Целесообразно сделать отметку
такого положения мотора, чтобы можно было легко возвращать
мотор в это первоначальное положение при дальнейшей работе.
Затем мотор поворачивают до тех пор, пока отклонение пера
самописца не станет равным нулю, после чего увеличивают на-
пряжение на фотоумножителе и усиление, а мотор окончательно
устанавливают в такое положение, чтобы при чувствительности
ХЮ ООО получить минимальное отклонение. Здесь делается вто-
рая отметка, и прибор готов к работе. Отрегулированная один
раз, установка прерывателей может оставаться неизменной в те-
чение долгого времени.
Если диски прерывателя таковы, что световые периоды не-
много меньше темновых (как описано в разделе III, Н, 1), то при
антифазной установке прямой пучок возбуждающего света
оказывается полностью перекрытым на время, в течение
которого свет пропускается вторым прерывателем ко входной
щели анализирующего монохроматора. Теоретически в этом по-
ложении фотоумножитель не должен регистрировать быстрой
флуоресценции. В действительности все же некоторое количество
быстрой флуоресценции проходит из-за многократных отражений
внутри кожухов прерывателей, но если внутренние части этих
кожухов зачернить, количество «просочившегося» света не пре-
вышает 1/200 000 величины интенсивности при положении в фазе.
При соблюдении мер предосторожности долю проходящего света
можно уменьшить до 10~6. Это соответствует отклонению пера
самописца на 1 деление при чувствительности X Ю 000 в том
случае, когда быстрая флуоресценция, регистрируемая при поло-
жении в фазе, отклоняет его на 100 делений при чувствитель-
ности X 1- Если все же отклонения несколько больше указанных,
необходимо тщательно проверить внутренние поверхности опра-
вы прерывателей, например поверхности ножей щелей монохро-
маторов, и при необходимости зачернить их. Изменяя ширину
щели, можно установить, является ли большое отклонение пера
результатом неполного отсекания возбуждающего света в тече-
ние промежутка регистрации люминесценции. Размеры прерыва-
теля должны быть такими, чтобы была возможность полностью
АППАРАТУРА И МЕТОДЫ 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 кювету, если
применяется метод осве-
щения под прямым углом.
4. Определение
квантового выхода
фосфоресценции
и замедленной
флуоресценции
Выходы долгоживу-
щей люминесценции оп-
ределяются тем же мето-
дом, что и выходы быст-
Рис. 107. Замедленная флуоресценция ан-
трацена (5» 10“5 Л1) в этаноле [46].
/—быстрая флуоресценция (искаженная самопогло-
щением); 2 — замедленная флуоресценция при чув-
ствительности в 260 раз больше, чем в первом слу-
чае; 3 —спектральная чувствительность прибора
(S^); полуширина полосы анализирующего моно-
хроматора 0,05 мкм”1 при 2,5 мкм”1; интенсив-
ность возбуждающего света приблизительно
1,4«10”3 эйнштейн/(см2*с) при 2,73 мкм-”1 (366 нм).
рой флуоресценции (см.
раздел III, Л, 2), путем
сравнения площади под
исправленным спектром
испускания с площадью
под спектром быстрой
флуоресценции стандарт-
ного соединения. Для
получения соответствую-
щей величины площади, которую подставляют в уравнение
(247), интенсивность долгоживущей люминесценции нужно,
разумеется, разделить на коэффициент фосфориметра.
Часто соединение, имеющее долгоживущую 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 другим раствором. Отношение выхода за-
медленной флуоресценции (0) к выходу быстрой флуоресценции
(<р/) вычисляется просто путем сравнения интенсивностей одного
266
ГЛАВА III
из главных максимумов в спектрах, которые, разумеется, иден-
тичны по форме. Регистрируемый 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 иллюстрируется
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 самопогло-
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 мкм~! составляли*
90,5 деления при чувствительности, равной 1, для быстрой флуо-
ресценции и 66 делений при чувствительности 260 для замедлен-
ной флуоресценции. Время жизни замедленной флуоресценции
равнялось 3,8 мс при коэффициенте фосфориметра 0,33. Поэтому
в*<=вд^ш-°'85-10’!- <256>
Выход фосфоресценции определяется аналогичным образом, за
исключением того, 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 т, С Wf %
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-Нитро-Н-этиланилин 0,4 >10 0,12
Н-Фенил-2-нафти ламин 1,3 1,7 0,44 0,26
Ацетофенон 0,008 > ю 1,0 Низкий
Бензофенон 0,005 >10 0,71 »
Бензоин 0,018 >10 0,54 »
Бензил 0,005 >10 0,67 »
Антрахинон 0,004 > 10 0,41 »
Аппаратура й методы эксперимента
267
чувствительность прибора. Определения абсолютных квантовых
выходов быстрой флуоресценции в твердых растворах при тем-
пературе жидкого азота являются менее точными, чем соответ-
ствующие измерения при комнатной температуре, из-за трудно-
стей, связанных с определением оптической плотности, и ошибок,
вызываемых искажениями спектра или растрескиванием твердых
растворителей. Определение отношения фР/ф/ не зависит от
этих факторов, и поэтому его можно определить более точно.
В табл. 26 приведены некоторые значения фР/ф/ и приближен-
ные значения фр и ф/ 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
20° С. Предполагалось, что флуоресценция флуорена была та-
кой же, как и при комнатной температуре, и ее использовали
в качестве стандарта для определения выходов флуоресценции
других соединений.
5. Определение скорости поглощения света
При измерениях быстрой флуоресценции и фосфоресценции
в жидких растворах не требуется точно знать скорость поглоще-
ния возбуждающего света4; если только определение выходов
флуоресценции не производится абсолютными методами и не
изучаются фотохимические изменения. Однако интенсивность
некоторых типов замедленной флуоресценции пропорциональна
квадрату скорости поглощения света (т. е. квантовый выход про-
порционален первой степени скорости поглощения света). Кажу-
щиеся выходы быстрой флуоресценции и фосфоресценции также
могут зависеть от интенсивности в твердых средах при низкой
температуре, где времена жизни триплетов велики и большая
доля растворенного вещества может находиться во время облу-
чения з триплетном состоянии. Для проведения количественных
исследований в таких системах необходимо точно измерить ско-
рость поглощения света растворенным веществом. Для этой цели
возбуждающий свет фокусируется на отверстие подходящей
формы и размеров так, чтобы отверстие равномерно освещалось
светом. Четкое изображение отверстия фокусируется затем на
ту часть образца, где наблюдается люминесценция. Затем с по-
мощью ферриоксалатного актинометра измеряется общий поток
возбуждающего света, проходящий через отверстие. Измеряют
площадь изображения отверстия и вычисляют интенсивность
освещения образца (эйнштейн/см2). Зная эту величину и изме-
рив оптическую плотность на 1 см при нужной длине волны,
определяют скорость поглощения света. Необходимо учитывать
эффект внутреннего фильтра, используя фактор 10-2М (см. раз-
дел 111,3,2) для вычисления истинной интенсивности в точке,
где регистрируется люминесценция.
268
ГЛАВА HI
6. Измерение времени жизни долгоживущей люминесценции
Большие времена жизни можно определять на спектрофос-
фориметре по затуханию сигнала фотоумножителя при антифаз-
ной установке прерывателей, если возбуждающий свет перекры-
вается быстрым механическим затвором. Для времен жизни
порядка 5 с и более сигнал с фотоумножителя можно регистри-
ровать с помощью быстрого самописца. При временах жизни
между 0,1 и 5 с сигнал с фотоумножителя необходимо усиливать
и подавать на осциллограф, изображение на экране осциллогра-
фа фотографируется, или, если используется осциллограф с за-
поминающим устройством, кинетическую кривую интенсивности
люминесценции можно скопировать прямо с экрана. Для вре-
мен жизни меньше 0,1 с нужно использовать другие 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 не-
много меньший, чем темновой. Пучок возбуждающего света пре-
рывается теперь уже с частотой 100 Гц. Сигнал с фотоумножи-
теля подается на осциллограф, временная развертка которого
запускается с частотой 100 Гц. При антифазной установке пре-
рывателей осциллограф регистрирует 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 регистрировать 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 Гц.
Последняя позволяет измерять времена жизни до 100 мс. С дру-
гой 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 вращаемых прерывателей и, кроме того,
фосфороскоп будет представлять собой отдельную установку.
Следует также упомянуть, что времена жизни во всем ука-
занном выше интервале можно измерить с помощью импульс-
ного возбуждения способом, описанным для измерения времени
жизни быстрой флуоресценции (раздел III, М). Этот метод имеет
то преимущество, что можно измерять времена жизни много
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-
АППАРАТУРА И МЕТОДЫ ЭКСПЕРИМЕНТА
269
Рис. 108. Затухание люминесценции
в зависимости от времени [111].
Ордината—In (интенсивность), одно деле-
ние =0,25; абсцисса — время, одно деление
=0,0003 с для кривых а и б, 0,0005 с для
кривой в, 1,0 с для кривой а, 0,1 с для кри-
вой д. а, б —замедленная флуоресценция
мономера и димера пирена в этаноле при
23° С; в —замедленная флуоресценция наф-
талина в этаноле при — 23° С; г, д — фос-
форесценция и замедленная флуоресцен-
ция 10“1 7W раствора фенантрена в смеси
эфир — пентан — этанол при 77 К.
дроса [33] при изучении фосфоресценции диацетила в растворе;
в этой работе можно найти более подробные данные.
Какой бы метод ни использовали для регистрации долгожи-
вущей люминесценции (/в) как функции времени после выклю-
чения возбуждающего света, результаты следует изображать
в виде зависимости от време-
ни величины In ID (рис. 108).
Прямолинейный график пока-
зывает, что люминесценция за-
тухает экспоненциально, а на-
клон прямой дает время жиз-
ни т [см. уравнение (25)]. Не-
линейный график (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-
дающего света так велика, что
скорость бимолекулярного ту-
шения триплетов триплетами
вносит существенный вклад в
полную скорость распада три-
плета (см. раздел II, Г, 4).
В твердой среде это может го-
ворить о том, что замедлен-
ная флуоресценция возникает
в результате рекомбинации
ионов (см. раздел I, В, 6), или
может указывать на суще-
ствование упорядоченного рас-
пределения триплетных моле-
кул (см. раздел II, Г, 3).
Для читателя, не знакомого с электроникой, полезно сказать
несколько слов о постоянной времени измерительной цепи. На
рис. 109 изображена схема цепи, используемой для регистрации
затухания люминесценции. Ток от фотоумножителя, измеряю-
щего люминесценцию, проходит на землю через сопротивление
и напряжение, выделяющееся на этом сопротивлении, по-
дается на осциллограф. При этом чувствительность будет про-
порциональна сопротивлению /?ь максимально возможное зна-
чение которого будет соответствовать входному сопротивлению
усилителя вертикальной развертки осциллографа в диапазоне
максимальной чувствительности. Типичная максимальная вели-
чина может достигать 10 МОм.
270
ГЛАВА III
Паразитная емкость (Cs), связанная с подводящими прово-
дами от фотоумножителя, ограничивает скорость спадания вход-
ного напряжения после выключения света. Напряжение спадает
экспоненциально с постоянной времени, определяемой по урав-
нению
Постоянная времени (секунды) = (МОм) • Cs (мкФ). (257)
При длинных подводящих проводах фотоумножителя паразитная
емкость Cs может оказаться достаточной для того, чтобы по-
Рис. 109. Схема для измере-
ния времен жизни.
Y — вход усилителя; Т — вход триг-
гера; S —сигнал люминесценции;
М — упорный сигнал; /^ — сопротив-
ление нагрузки усилителя (0,1 — 10
МОм); #2 — нагрузка триггера для со-
гласования с входом осциллографа);
Cs — паразитные емкости; С —кон-
денсатор, используемый при измере-
нии больших времен жизни.
стоянная времени стала равной не-
скольким десятым миллисекунды
при /?1 = 10 МОм, и такую схему
нельзя использовать для измерения
малых времен жизни. Для борьбы
с паразитной емкостью можно либо
укорачивать подводящие провода,
либо уменьшать сопротивление
хотя последнее будет также сни-
жать общую чувствительность. При
очень малых временах жизни пред-
усилитель (катодный повторитель)
следует помещать непосредствен-
но в кожухе фотоумножителя. Ка-
тодный повторитель преобразует
слабый ток фотоумножителя, про-
ходящий по высокоомному сопро-
тивлению, в сигнал сильного тока
с малым импедансом на низкоом-
ном сопротивлении, что вызывает
адекватное падение напряжения на
небольшом входном сопротивлении осциллографа. 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 осциллографа.
В случае очень слабых световых сигналов с очень малой по-
стоянной времени кривая на осциллографе отражает неравно-
мерность потока квантов на фотокатод детектора. Шум зна-
чительно уменьшается, если параллельно присоединить
конденсатор С (рис. 109). Необходимо, однако, следить, чтобы
величина RC была* меньше 0,1 измеряемого времени жизни.
7. Чистота веществ
Одним из достоинств флуоресцентных и фосфоресцентных из-
мерений как аналитических методов является то, что с их по-
мощью можно определять очень малые концентрации примеси
АППАРАТУРА И МЕТОДЫ ЭКСПЕРИМЕНТА
271
в присутствии значительно больших концентраций второго лю-
минесцирующего вещества (см. гл. V). С другой стороны, сте-
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-
щего малый квантовый выход флуоресценции и малый коэффи-
циент погашения при длине волны возбуждающего света, при-
сутствие 0,1% примеси, имеющей большой квантовый выход
флуоресценции и высокий коэффициент погашения, может пол-
ностью исказить результаты. Аналогичные 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 предполагать присутствие
второго флуоресцирующего 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. гл. II)
степень чистоты как растворенного вещества, так и раствори-
теля, в котором исследуется долгоживущая люминесценция, дол-
жна быть намного выше степени чистоты, необходимой для иссле-
дования быстрой флуоресценции. Содержание кислорода нужно
уменьшить до ничтожной величины путем откачивания до высо-
кого вакуума, как указано в разделе III, И, 2. Основная труд-
ность состоит в том, чтобы удалить следы примесей, способных
быть акцепторами энергии триплетов изучаемых соединений,
так- как эти примеси могут 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 мкм-1), не влияет на триплет антра-
цена (расположенный при 1,48 мкм-1), так как триплетные со-
стояния примесей расположены выше, чем триплеты антрацена
(см., например, раздел IV, Б, 4).
Сложность снижения концентрации примесей в растворителе
до уровня меньше 1 части на 1010 усугубляется тем фактом, что
нельзя предугадать природу примесей и нет общего метода их
обнаружения, за исключением того, что они тушат долгоживу-
щую люминесценцию изучаемого соединения. На первых стадиях
очистки рекомендуется измерять поглощение в кювете толщиной
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
272
ГЛАВА HI
(см. раздел V, В, 4). Если имеется некоторое количество ранее
приготовленного чистого растворителя, то последующие партии
растворителя можно сравнивать с ним, измеряя время жизни
замедленной флуоресценции вещества, имеющего относительно
высокий уровень трипле-
та, например фенантре-
на. Однако нельзя дока-
зать присутствие примеси
в первоначальной партии
«хорошего» растворите-
ля, не приготовив лучше-
го, 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 исследуемого веще-
ства, но также и по по-
явлению новых полос
испускания сенсибилизо-
ванной замедленной флу-
оресценции примеси. Та-
кие примеси при облуче-
нии в присутствии сенси-
билизатора иногда пре-
терпевает фоторазложе-
ние и таким образом
могут быть удалены. На
рис. ПО показан расход
пирена и других приме-
сей в растворе фенантре-
следы пирена в этом рас-
Р и с. НО. Люминесценция примесей в эта-
ноле при 20° С, сенсибилизованная фенан-
треном (10-3Л4) [111].
Скорость поглощения света 0,7-10—6 эйнштейнЦл-с)
при 341—362 нм. а—быстрая флуоресценция; б и
в — замедленная флуоресценция при чувствитель-
ности в 1000 раз больше; г —быстрая флуоресцен-
ция разбавленного раствора пирена. Фоторазло-
жение б, приводящее к в, происходило при облу-
чении в течение 30 мин со скоростью поглощения
10“"5 эйнштейн/(л-с).
на при облучении. Было найдено, что
творе появились из этанола, который использовали для приготов-
ления раствора. Этанол был взят из емкости, из которой ранее
брали этанол для приготовления растворов пирена, соблюдая
при этом все меры предосторожности, чтобы не допустить загряз-
нения. Наличие в растворителе 1 части пирена на 109 частей было
объяснено загрязнением через воздух, когда емкость, содержа-
щую этанол, открывали в лаборатории, в которой проводились
опыты с пиреном. Этот пример показывает, с какой осторожно-
стью надо хранить и обращаться с очищенными растворителями.
АППАРАТУРА И МЕТОДЫ ЭКСПЕРИМЕНТА
273
Ниже кратко описаны методы приготовления некоторых
обычно используемых растворителей.
Этанол. 3 г гранулированного едкого кали промывают этано-
лом для удаления поверхностных примесей, а затем добавляют
к 3 л чистого кипящего этанола. Растворитель сразу же перего-
няют щсобирают среднюю фракцию (50%). Влияние такой обра-
ботки на спектр испускания флуоресценции показано на рис. 151
(раздел V, В, 4).
Изопентан и низкокипящие н-парафины. Растворители встря-
хивают с 10%-ным олеумом в течение 100 ч, периодически за-
меняя олеум свежими порциями. Растворитель промывают во-
дой, затем разбавленной щелочью и вновь водой, после чего его
сушат над безводным сульфатом натрия, перегоняют и собирают
среднюю фракцию (50%).
Циклогексан. Спектроскопически чистый циклогексан можно
использовать без очистки. Все порции циклогексана проверяют
на чистоту и наиболее чистые, которые имеют наименьшую
флуоресценцию (см. рис. 150 в разделе V, В, 4), используют для
работ при высоких чувствительностях. Обычный циклогексан
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, поглощающих в далеком ультрафиолете, удаляются
с большим трудом.
Бензол. Бекстрём и Сандрос [33] нашли, что время жизни
разбавленных растворов диацетила в чистом бензоле различ-
ного происхождения изменяется весьма значительно. В бензоле,
очищенном с помощью фракционной перегонки, они получили
время жизни 1,0-10"3 с при 20° С.
Глицерин и пропиленгликоль. Флуоресценция и фосфорес-
ценция этих растворителей при 77 К существенно уменьшается
при вакуумной перегонке. Пропиленгликоль обычно чище гли-
церина, однако вязкость последнего больше.
Ионизирующие растворители. Предложено несколько мето-
дов очистки, особенно в связи с электрохимическими исследова-
ниями; количество люминесцирующих примесей неизвестно.
В работе [204] рекомендуются следующие операции для очистки
ацетонитрила: перемешивание с гидридом кальция в течение
2 дней, перегонка над пятиокисью фосфора, кипячение с гидри-
дом кальция и медленная перегонка. В этом случае продукт
может содержать некоторое количество акрилонитрила. Марикл
[205] выдерживал диметилформамид перед перегонкой в тече-
ние 12 ч над карбонатом калия. Марикл и Ходжсон [206] нагре-
вали диметилсульфоксид в течение 2 ч над едким натром при
90° С, а затем фракционировали в вакууме.
274
ГЛАВА III
Стеклообразные растворители. Выбор смесей растворителей,
образующих прозрачные твердые стекла при 77 К без растрес-
кивания, довольно ограничен. Вайнфорднер и Сент-Джон [207]
проверили несколько растворителей и смесей. Из чистых рас-
творителей пентан, петролейный эфир, этиловый эфир, 2-бром-
бутан, этанол 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 слой раствора на одной
из стенок кюветы.) Что касается смесей, то прозрачные стекла
давал безводный спирт в комбинации с другими растворите-
лями. Очень хорошие стекла получались в смесях, содержащих
пентан, например в смесях эфир — пентан — этанол или метил-
циклогексан— пентан в различных соотношениях. Гринспан и
Фишер [208] определили вязкость ряда стеклующихся смесей
в зависимости от температуры. Некоторые значения вязкости
приведены в табл. 27. Эти данные можно использовать при вы-
боре смесей, образующих прозрачные стекла при 77 К и имею-
щих различную степень жесткости.
Таблица 27
Вязкость низкотемпературных стекол [208]
Растворитель Вязкость (приблизительное значение) при —180° С, пуаз
1-Пропанол — 2-пропанол (2:3) 6-Ю12
Этанол — метанол 2- 1012
Этанол — метанол и 4,5% воды —
Этанол — метанол и 9% воды —
Изооктан — изононан 3- ю10
Метилциклогексан — цис-илп rpawc-декалин 1 • 10й
Метилциклогексан — толуол 7 • 109
Метилциклогексан — изогексан (3:2) 3 • 106
Метилциклогексан — метилциклопентан 2- 105
Метилциклогексан — изопентан —
Метилциклогексан — изопентан (1:3) 1 • 103
2-Метилпентан 7- 104
2-Метилтетрагидрофуран 4 • 107
Эфир — изопентан — этанол (5:5:2) 9 • 103
Примечание. В тех случаях, когда соотношение не указано, ис-
пользовали равные объемы компонентов.
Растворяемые вещества. Продажные образцы большинства
веществ, даже те, которые имеют индекс «высокочистые», часто
Содержат такое количество примесей, которое делает их непри-
АППАРАТУРА И МЕТОДЫ ЭКСПЕРИМЕНТА
275
годными для исследования люминесценции. Каждое исследуе-
мое вещество имеет свои особенности очистки, и часто необхо-
димо использовать комбинацию методов для снижения содержа-
ния примесей до требуемого уровня, который может составлять
1 часть на миллион или менее. Для очистки следует использо-
вать перекристаллизацию твердых веществ, перегонку жидко-
стей, жидкостную или газожидкостную хроматографию, высоко-
вакуумную перегонку, фракционированное вымораживание и
зонную плавку. Для твердых веществ, плавящихся ниже 300° С
без разложения (в атмосфере азота, не содержащего кисло-
рода), мощным методом, который обычно уменьшает количество
примесей до очень низкого уровня, является зонная плавка [209]
(см. раздел \,Д, 8). Однако число примесей, присутствующих
в очень малых количествах в органическом 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. Например, при получении чистого фенантрена примесь ан-
трацена лучше всего удалять обработкой бензольного раствора
малеиновым ангидридом, а примесь флуорена — сплавлением
с едким кали [210]. Затем фенантрен перекристаллизовывают и
подвергают зонной плавке для удаления оставшихся примесей.
Количество примесей с неблагоприятным коэффициентом раз-
деления нельзя довести до требуемого уровня однократной зон-
ной плавкой, но при этом достигается равновесное распределе-
ние примесей по всему объему очищаемого образца [209]. Изме-
ряя спектр флуоресценции в различных точках образца, можно
следить за ходом процесса очистки. Измерение флуоресценции
или фосфоресценции в твердом растворе при 77 К или сенси-
билизованной замедленной флуоресценции в жидком растворе
также является чувствительным методом обнаружения приме-
сей в соответствующих системах. Некоторые примеры этого
описаны в гл. V.
8. Артефакты и тривиальные эффекты
Искажение спектра быстрой флуоресценции в результате
поглощения люминесценции самим образцом было обсуждено
в разделе III, 3. При определенных условиях аналогичным об-
разом может возникать искажение спектров фосфоресценции
или замедленной флуоресценции. Однако существует еще два
эффекта, которые могут приводить к появлению дополнитель-
ного испускания при измерении замедленной флуоресценции. Их
впервые обнаружили Паркер и Джойс [59] при измерении за-
медленной флуоресценции растворов перилена. При возбужде-
нии светом с длиной волны 436 нм растворы перилена в этаноле
276
ГЛАВА III
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 люминесценция. Паркер и Джойс показали, что возни-
кающая люминесценция не является истинной замедленной
флуоресценцией, а представляет собой артефакт, в действитель-
ности же это была быстрая флуоресценция перилена, возбу-
ждаемая за счет поглощения периленом фосфоресценции кварца
кюветы. Время затухания люминесценции было равно времени
затухания фосфоресценции кварца, и поэтому наблюдаемое ис-
пускание регистрировалось как замедленная флуоресценция.
Полоса поглощения перилена расположена как раз в области
фосфоресценции плавленого кварца — 370—430 нм. Для того
чтобы избежать появления люминесценции, обусловленной этим
эффектом, рекомендуется при измерениях в ультрафиолетовой
области использовать кюветы из нефосфоресцирующей синтети-
ческой двуокиси кремния.
Появление посторонней замедленной флуоресценции может
вызывать не только фосфоресценция кювет. Если «истинная»
долгоживущая люминесценция одного из компонентов раствора
(либо фосфоресценция, либо замедленная флуоресценция) на-
ходится в области поглощения второго компонента, то при этом
будет возбуждаться быстрая флуоресценция второго компонен-
та («тривиальный эффект»), и эта быстрая флуоресценция бу-
дет затухать со скоростью, равной скорости затухания долго-
живущей люминесценции первого компонента. В качестве при-
мера Паркер и Джойс [59] приводят 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 поглощался периленом и
возбуждал быструю флуоресценцию последнего. Быстрая флуо-
ресценция затухала со скоростью затухания фосфоресценции
примесей в жидком парафине и регистрировалась как замед-
ленная флуоресценция перилена. Из этого примера видно, как
важно критически относиться к экспериментам, в которых на-
блюдается замедленная флуоресценция, чтобы быть уверенным,
что она не вызвана тривиальными эффектами.
О. ИЗМЕРЕНИЕ ПОЛЯРИЗАЦИИ ЛЮМИНЕСЦЕНЦИИ
Поляризация фотолюминесценции жидкостей почти всегда
измеряется под прямым углом к направлению распространения
возбуждающего света. Такие измерения производятся с по-
мощью флуориметра с фильтрами или спектрофлуориметра,
снабженного приспособлением для определения степени поля-
АППАРАТУРА И МЕТОДЫ ЭКСПЕРИМЕНТА
277
ризации люминесценции. Возбуждающий свет может быть либо
полностью неполяризованным, либо полностью плоскополяризо-
ванным. Степень сложности прибора зависит от того, какую ин-
формацию требуется получить, и от точности, с которой нужно
определить поляризацию. Основные принципы и предосторож-
ности при измерении спектрофлуориметрии и спектрофосфори-
метрии относятся и к измерениям по-
ляризации, но в последнем случае не-
обходимо соблюдать также и дополни-
тельные меры предосторожности. Они
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 I, Г.
1. Поляризаторы
а) Призма Николя. Кристалл каль-
цита размером около 25 X 8 мм с по-
верхностью, отшлифованной в опреде-
ленном направлении, разрезается на
две части особым способом [68] и вновь
склеивается канадским бальзамом.
Естественный свет, проходящий через
ромб в точке А (рис. 111,а), расщеп-
ляется на обыкновенный и необыкно-
Р и с. 111. Поляризаторы.
а —призма Николя; б —призма
Глана— Томпсона (оптическая
ось перпендикулярна ДЕ);
в —призма Рошона.
венный лучи. Они плоскополяризованы
во взаимно перпендикулярных плоскостях. Показатель прелом-
ления канадского бальзама является промежуточным между по-
казателями преломления кальцита для обыкновенного и необык-
новенного лучей (для конкретного угла падения), так что необык-
новенный луч преломляется на поверхности и проходит через
кристалл по направлению Е будучи плоскополяризованным, а
обыкновенный испытывает полное внутреннее отражение на по-
верхности и поглощается зачерненной гранью призмы. Напра-
вление поляризации проходящего луча параллельно короткой
диагонали задней плоскости. Пропускание призмы Николя бы-
стро падает в ультрафиолетовой области из-за поглощения ка-
надского бальзама.
б) Призма Глана — Томпсона состоит из прямоугольной при-
змы кальцита, вырезанной так, что ее оптическая ось перпен-
дикулярна длине призмы. Призма разрезана вдоль плоскости,
278
ГЛАВА Ш
проходящей через противоположные ребра, а полированные
поверхности склеены вместе специальным клеем, имеющим
подходящий показатель преломления и прозрачным в ультра-
фиолете. Обыкновенный и необыкновенный лучи проходят через
призму до клеевого слоя, не отклоняясь. Показатель преломле-
ния клея для необыкновенного луча почти равен показателю
преломления кальцита, и луч не отклоняется, в то время как
обыкновенный луч претерпевает полное внутреннее отражение
(рис. 111,6).
в) Призма Рошона. Обычно она состоит из двух прямоуголь-
ных призм двупреломляющего кристалла, склеенных вместе.
Оптическая ось левой призмы параллельна нормали к поверх-
ности, т. е. параллельна направлению пучка падающего света А
на рис. 111, в. Оптическая ось правой призмы перпендикулярна
плоскости рисунка. Луч света, падающий на призму в точке Л,
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 угол 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 плавленого кварца. В этом случае
удается избежать деполяризации умеренно сходящихся пучков
света, и если обе призмы склеить тонким слоем парафинового
масла, то такая комбинация будет пропускать свет вплоть до
220 нм. При такой конструкции необыкновенный луч (поляризо-
ванный вертикально) отклоняется лишь слегка, в то время как
обыкновенный отклоняется от необыкновенного почти на 10° [211].
г) Поляризующие пленки. Такие пленки раньше получали
путем внедрения дихроичных кристаллов, например сульфатпе-
риодида хинина, в прозрачную полимерную пленку. Кристаллы
в пленке были ориентированы магнитным полем или обработ-
кой растягиванием и под давлением. В этом случае пленка
(подобно кристаллу турмалина, см. раздел 1,Г, 1) поглощает
свет, поляризованный в определенном направлении, но пропу-
скает свет, поляризованный перпендикулярно этому направле-
нию. «Поляроидные» пленки дают очень высокую степень поля-
ризации в середине видимой области спектра.
2. Поляризационные флуориметры с фильтрами
Для измерения вращательной деполяризации используют
сравнительно простую схему с фильтрами для выделения нуж-
ных длин волн возбуждающего света и света флуоресценции.
Такой прибор описан Джонсоном и Ричардсом [212]. Общая
схема его приведена на рис. 112. Ультрафиолетовый свет ртут-
ной лампы А освещает щель Si, лучи света проходят через
АППАРАТУРА И МЕТОДЫ ЭКСПЕРИМЕНТА
279
линзу Li и становятся параллельными, затем попадают через
фильтр Ft и прямоугольную диафрагму S2 в прямоугольную
стеклянную кювету С, расположенную в углу термостата. Свет
Рис. 112. Измерение поляризации флуоресценции [212].
А —источник света; Si — освещаемая щель; L{ — кварцевая линза; Fi — фильтр возбужде-
ния; S2 — прямоугольная диафрагма; С —кювета; Mi и Мг — серебряные зеркала; Гг — фильтр
флуоресценции; / — ирисовая диафрагма; PS — полярископ; Я —нагреватель.
Рис. 113. Схема полярископа [212].
X — держатель для поляроидного фильтра F3; L2 —линза; S3 —диафрагма; Q — кварцевый де-
поляризатор; А —зачерненная латунная трубка; Р — фотокатод; Т — кожух фотоумножителя.
флуоресценции проходит через фильтр F2 и ирисовую диафраг-
му I к полярископу PS, причем его интенсивность усиливается
зеркалами Mt и Л'12. Схема полярископа приведена на рис. 113.
После диафрагмы I свет флуоресценции проходит через поля-
роидную пленку F3 к линзе Ь2. Из линзы почти параллельный
пучок света попадает через диафрагму S3 и деполяризатор Q
280
ГЛАВА III
на фотокатод Р детектора. Поляроидный фильтр можно вра-
щать вокруг оси зачерненной трубки А на 90°. Деполяризатор
применяется здесь для того, чтобы избежать ошибок, обуслов-
ленных разной чувствительностью фотокатода к вертикально и
горизонтально поляризованному свету. Джонсон и Ричардс ис-
пользовали две кварцевые пластинки толщиной 2 и 4 мм, выре-
занные параллельно оптической оси и склеенные так, что опти-
ческие оси образуют угол 45°.
Описываемый метод включает три измерения сигнала с фо-
тоумножителя: 1) при положении поляроида, когда проходит
вертикально поляризованный свет; 2) поляроид повернут на 90°
по отношению к первоначальному положению; 3) измеряется
темновой ток при выключенном возбуждающем свете. Первые
два измерения исправляют с учетом темнового тока и исправ-
ленные величины ix и iy используют для вычисления кажущейся
степени поляризации по следующему уравнению:
ix — iy
<258)
Истинная степень поляризации (р) определяется уравнением
Ре = рТ, (259)
где Т — поляризующая способность поляроида, равная 0,997 или
более, и, следовательно, ре приблизительно равна р.
Джонсон и Ричардс, помимо других факторов, обсуждали ве-
личину систематических ошибок, обусловленных следующими
причинами: поляризацией возбуждающего света, ориентацией
и поворотом поляроида, расхождением пучка флуоресценции.
Поправку на степень поляризации возбуждающего света pL
можно вычислить по следующей формуле:
где р'— наблюдаемая поляризация флуоресценции, а р — зна-
чение, которое получилось бы при pL — 0. Было показано, что
ошибки, обусловленные неправильной ориентацией или поворо-
том поляроида на неправильный угол, меньше 0,3 и 0,15% со-
ответственно для всех значений р, если точность ориентации и
вращения составляет 2°. Было показано также, что ошибка из-за
расхождения пучка флуоресценции (при точности ±5°) состав-
ляет меньше 1%. Вебер [213] показал, что даже значительное
схождение или расхождение пучка возбуждающего света не
вносит существенной ошибки.
Вебер [214] описал прибор, измеряющий малые и большие
степени поляризации с абсолютной точностью +0,001. Принцип
работы этого прибора основан на том, что линейно поляризо-
АППАРАТУРА И МЕТОДЫ ЭКСПЕРИМЕНТА
281
ванная составляющая света флуоресценции, колеблющаяся в на-
правлении распространения возбуждающего света, не зависит
от плоскости поляризации последнего и ее можно использовать
в качестве сигнала сравнения для составляющей света флуорес-
ценции в направлении колебаний возбуждающего света. Обра-
зец освещается фильтрованным светом, поляризованным с по-
мощью призмы Глана — Томпсона в вертикальной или горизон-
тальной плоскости. Флуоресценцию регистрируют двумя фото-
умножителями, расположенными один против другого в напра-
влениях, перпендикулярных направлению распространения воз-
буждающего света. Через призму Глана — Томпсона перед од-
ним из фотоумножителей проходит только горизонтально поля-
ризованный свет, и сигнал с этого фотоумножителя служит сиг-
налом сравнения. Через призму Глана — Томпсона перед вто-
рым фотоумножителем (измеряющий фотоумножитель) проходит
только вертикально поляризованный свет. Если возбуждающий
свет поляризован горизонтально, то пучки флуоресценции образ-
ца в направлении обоих фотоумножителей не поляризованы, и
поэтому их сигналы пропорциональны IСигналы при этом по-
ложении уравнивают с помощью специальной схемы. Если воз-
буждающий свет поляризован вертикально, то фотоумножитель
сравнения получает сигнал, пропорциональный I±, а измеряю-
щий фотоумножитель получает сигнал, пропорциональный /ц.
Для измерения отношения I Л\\ сигналы с фотоумножителей
уравниваются поворотом четвертой призмы Глана — Томпсона,
через которую свет проходит к измеряющему фотоумножителю.
Зная угол поворота, необходимый для уравнивания сигналов
с фотоумножителей, можно вычислить отношение / Лк- В статье
Вебера приведено подробное описание прибора, теории измере-
ний и величины систематических ошибок.
3. Поляризация спектра возбуждения флуоресценции
Вебер [215] описал прибор для измерения поляризации
спектра возбуждения флуоресценции. Схема его приведена на
рис. 114. Пучок возбуждающего света требуемой 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 углом к падающему пучку,
проходит через призму Глана—Томпсона Р и фильтр F к фо-
тоумножителю PM. С помощью гальванометра сигналы фото-
умножителей измеряются в каждом из двух положений
поляризатора, а именно: когда поляризованная компонента пер-
пендикулярна направлениям возбуждения и наблюдения (7ц)
и когда поляризованная компонента параллельна направлению
282
ГЛАВА Ш
распространения возбуждающего света (/_l). 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
растворителя использовали глицерин или, лучше, пропиленгли-
коль и раствор охлаждали до
—70° С с помощью медного
блока, помещенного в латун-
ный кожух, через который бы-
стро циркулировал охлажден-
ный этанол.
Вебер показал, что степень
поляризации возбуждающего
света изменяется с изменением
длины волны, но отклонения
не превышают 10%. Соответ-
ствующая ошибка при опре-
делении степени поляризации
флуоресценции была того же
порядка, что и точность изме-
рений, и поэтому не вводилось
никакой поправки. Вебер так-
же обсудил проблему депо-
ляризации при поглощении
флуоресценции в концентрированных растворах и вторичном
испускании. Для измерения концентрированных растворов он
использовал тонкие пленки, зажатые между гипотенузными
гранями двух трехгранных призм из синтетической двуокиси
кремния.
L<=>
Р и с. 114. Схема установки для изме-
рения поляризации спектра возбу-
ждения флуоресценции.
S —ксеноновая лампа; М — решеточный
монохроматор; L — кварцевая линза; С — кю-
вета; Р —призма Глана — Томпсона; F —
фильтр флуоресценции; РМ—фотоумножи-
тель; G — гальванометр.
4. Использование обычных спектрофлуориметра или
спектрофосфориметра для поляризационных измерений
Обычный спектрофлуориметр с освещением образца под
прямым углом, в котором возбуждающий свет фокусируется
в центре кюветы толщиной 1 см, можно использовать для по-
ляризационных измерений, помещая призмы Глана — Томпсона
в держатели, которые можно вращать, рядом с образцом, одну
в сходящийся пучок возбуждающего света, а другую в расхо-
дящийся пучок люминесценции, регистрируемой анализирующим
монохроматором. Подробное описание такой установки можно
найти в работе Прайса и сотр. [74]. Кажущиеся значения вер-
тикально и горизонтально поляризованных компонент света
АППАРАТУРА И МЕТОДЫ ЭКСПЕРИМЕНТА
283
флуоресценции (с вертикально поляризованным возбуждающим
светом) просто соответствуют тем сигналам фотоумножителя,
которые получаются, когда призма Глана — Томпсона в пучке
флуоресценции последовательно устанавливается на пропуска-
ние вертикально и соответственно горизонтально поляризован-
ных компонент. Для вычисления «истинных» значений /ц и /ц,
необходимо, во-первых, измерить относительное пропускание
(Т) монохроматора флуоресценции для вертикально и горизон-
тально поляризованного света той же длины волны, что и свет
флуоресценции. В этом случае степень поляризации флуоресцен-
ции вычисляется так:
Р = <261)
где /?ц и — наблюдаемые сигналы от вертикальной и гори-
зонтальной компонент флуоресценции.
Величину Т можно измерить, помещая на место образца ис-
точник неполяризованного света (например, света маленькой
вольфрамовой лампы, прошедшего через несколько шлифован-
ных стеклянных экранов). Отношение сигналов, получаемых
с поляризатором, установленным для достижения вертикальной
и горизонтальной поляризации (при соответствующей длине
волны), равно 7’.
Прайс и сотр. [74] с помощью своего 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, среднего
для нескольких измерений, составляло около 1%. Различие ме-
жду значениями поляризации, полученными ими и Вебером, не
превышало ±0,03.
Адзуми и Мак-Глинн [64] описали другие 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 флуоресценции 10~4 М раствора
фенантрена в метилциклогексане и нашли, что 7?ц и меняются
с изменением длины волны как монохроматора возбуждения,
так и монохроматора люминесценции. Однако при постоянной
длине волны монохроматора люминесценции отношение 7?ц/7?±
остается постоянным по всему спектру возбуждения. Они сде-
лали вывод, что в действительности флуоресценция была не-
поляризована и что изменение /?ц и 7?j. вызвано прибором.
В этом случае отношение равно требуемой величине Т.
Второй метод корректировки, предложенный Адзуми и Мак-
Глинном, проще и, по-видимому, более точен. Он основан на том
факте, что при горизонтально поляризованном возбуждающем
284
ГЛАВА III
свете испускание в направлении под прямым углом к падаю-
щему пучку (т. е. в направлении, параллельном колебаниям
возбуждающего света) должно быть не поляризовано. Предпо-
ложим, что наблюдаемые сигналы с фотоумножителя для вер-
тикальной и горизонтальной компонент флуоресценции при го-
ризонтально поляризованном возбуждающем свете равны соот-
ветственно 7?j| и а соответствующие величины для верти-
кально поляризованного возбуждающего света равны и 7?_l.
Тогда относительное пропускание монохроматора флуоресцен-
ции равно а исправленная поляризация флуоресценции
определяется по формуле

(262)
5. Автоматическая регистрация спектров поляризации
флуоресценции
Эйнсуорт и Винтер [211] описали спектрофлуориметр, кото-
рый можно использовать для записи поляризации спектров воз-
буждения или испускания флуоресценции, спектров поглощения
Рис. 115. Схема поляризационного спектрофлуориметра [211].
Afi —монохроматор возбуждения; R — призма Рошона; А —ксеноновая лампа; F —держа-
тель для фильтра; Мг— монохроматор люминесценции; Р — фотоумножитель.
и исправленных спектров возбуждения и испускания флуорес-
ценции. Ниже кратко описаны первое применение и схема этого
прибора (рис. 115). Подробные данные можно найти в ориги-
нальной статье. Возбуждающий свет из первого монохроматора
проходит через призму Рошона, и вертикально поляризованный
свет фокусируется на образец. Выходящий под прямым углом
свет флуоресценции диспергируется вторым монохроматором и
разлагается на две поляризованные компоненты второй приз-
мой Рошона. Оба пучка модулируются различными частотами
при прохождении через отверстия вращающегося диска, и оба
наконец попадают на фотокатод одного и того же фотоумножи-
АППАРАТУРА И МЕТОДЫ ЭКСПЕРИМЕНТА
285
теля. После усиления сигналы переменного тока разделяются,
выпрямляются и получаемые напряжения (пропорциональные
/ц и /±) подаются на малую аналоговую вычислительную ма-
шину, которая определяет соответствующие значения /ц и Z_l.
Можно определять либо
P = (263)
либо
2/ _]
= <264)
[см. уравнения (49) и (53)]. В приборе предусмотрена автома-
тическая корректировка изменения коэффициента относитель-
ного пропускания Т анализирующего монохроматора для вер-
тикально и горизонтально поляризованного света.
Глава IV
СПЕЦИАЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ И ПРИМЕНЕНИЕ
А. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ НИЗШЕГО ВОЗБУЖДЕННОГО
СИНГЛЕТНОГО СОСТОЯНИЯ
1. Общие замечания
Возбужденное синглетное состояние S* принимает участие
в следующих процессах (см. гл. II):
Излучательный переход Скорость = fy[S*]
Внутренняя конверсия — kn [S*]
Интеркомбинационная конверсия = &g[S*]
Тушение = kQ [Q] [S*]
Перенос энергии
Тушение включает и самотушение, т. е. процесс, в котором
роль тушителя играет флуоресцирующее вещество. В умеренно
разбавленных растворах (<10-4 М) переносом энергии и са-
мотушением можно пренебречь. Константу скорости тушения
посторонним веществом (kQ) можно рассчитать, зная константу
тушения Штерна — Фольмера [уравнение (75)] и время жизни
флуоресценции в отсутствие данного тушителя (то). Способы
определения остальных трех констант скорости будут рассмот-
рены в следующих разделах. Следует отметить, что константа
скорости внутренней конверсии включает скорость тушения флу-
оресценции растворителем. Как мы увидим, это тушение может
представлять собой фотохимическую реакцию или ж^ такое
взаимодействие, которое повышает скорость интеркомбинацион-
ной конверсии.
2. Излучательное и действительное время жизни
флуоресценции
Для измерения времени жизни флуоресценции обычно ис-
пользуют два метода. Первый — и наиболее точный — требует
применения флуорометра (см. раздел III, М, 1—2), при помощи
которого действительное время жизни то измеряется непосред-
ственно в условиях опыта. В разбавленных растворах и в от-
сутствие специально добавляемого тушителя это дает сумму
СПЕЦИАЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ И ПРИМЕНЕНИЕ
287
интересующих нас трех констант скорости:
1/т0 = ^ + ^ + ^. (265)
Измерение эффективности флуоресценции <р® (см. раздел III, Л)
дает все величины, необходимые для вычисления излучатель-
ного времени жизни тг и, следовательно, константы скорости kf.
ф0 = kfi(kf + kn + kg) = kfT0 = То/тг. (266)
Второй метод не требует применения флуорометра и по-
этому используется чаще. Из интегрального коэффициента по-
глощения по уравнениям (27), (28) и (29) вычисляют излуча-
тельное время жизни, а затем, измерив в интересующих усло-
виях эффективность флуоресценции <р^» по уравнению (266)
рассчитывают действительное время жизни.
Третий метод, применяемый реже, обсуждался в разделе
III, М, 3. Предполагают, 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. Затем
по времени жизни то и эффективности флуоресценции <pQf вы-
числяют излучательное время жизни тг.
3. Скорость интеркомбинационной конверсии
Из измерений флуоресценции невозможно определить зна-
чения kn и kg в отдельности, и для того, чтобы получить значе-
ние kg, нужно использовать как время жизни то, найденное опи-
санными выше методами, так и эффективность образования три-
плетов фб измеренную независимым методом. Тогда
^ = фЛо (267)
[см. уравнение (93)].
До недавнего времени существовал только один метод опре-
деления <р/, основанный на определении эффективности флуорес-
ценции при низкой температуре (77 К) и на предположении
о том, что в этих условиях скорость внутренней конверсии пре-
небрежимо мала [см. уравнение (108)]. Но фотохимику обычно
важнее знать эффективность в жидкости при комнатной тем-
пературе. Пересчет можно сделать по формуле (268) [ср. с урав-
нением (103)]:
(268)
D Фп-Г„ ''
Здесь предполагается, что вещество при обеих температурах
обладает измеримой фосфоресценцией, имеющей эффективность
288
ГЛАВА IV
Фр и время жизни тР, а символы со штрихами относятся к низ-
кой температуре.
Недавно было предложено несколько прямых методов опре-
деления ф/ в жидких растворах при комнатной температуре. По
методу Боуэрса и Портера [216] ф; рассчитывают из абсолют-
ных концентраций триплетных молекул, полученных импульсной
спектрофотометрией по поглощению. Ламола и Хаммонд [105]
использовали исследуемое вещество в качестве фотосенсибили-
затора тех реакций, которые протекают через триплетное со-
стояние реагентов. Мы не будем рассматривать эти методы, по-
скольку в них не измеряется фотолюминесценция, но в следую-
щих разделах остановимся на двух других методах, основанных
на фотолюминесценции. В одном из этих методов данные по
тушению флуоресценции сопоставляют с относительными кон-
центрациями триплетных молекул, полученных при импульсном
фотолизе, в другом — измеряют только быструю и замедленную
флуоресценцию, используя, однако, в качестве «стандарта» ве-
щество с известной эффективностью образования триплетов.
4. Определение эффективности образования триплетов
по методу Медингера и Уилкинсона
Причиной тушения флуоресценции вводимым в систему ве-
ществом Q может быть химическая реакция, например в случае
тушения флуоресценции антрацена четыреххлористым углеро-
дом— образование диантрацена или возбужденных димеров.
Другой причиной может быть перенос энергии (разд II, Б, 6)
M* + 1Q»M + 1Q* (269)
или перенос заряда [217]
‘Л* + '(?-► А-> ’л + 'Q. (270)
Особенно интересен предложенный Кашей [218] процесс, при
котором тушение флуоресценции является результатом интер-
комбинационной конверсии, индуцируемой столкновением воз-
бужденной синглетной молекулы с молекулой тушителя
M* + 1Q">M + 1Q. (271)
Следует ожидать, что этот процесс протекает в случае туши-
телей, содержащих тяжелые атомы, поскольку в них велико
спин-орбитальное взаимодействие. Медингер и Уилкинсон [103]
исследовали этот процесс, взяв в качестве тушителя бромбен-
зол, а в качестве флуоресцирующего вещества — антрацен и не-
которые его производные. Методом импульсной абсорбционной
спектроскопии они измерили относительные эффективности об-
разования триплетов в присутствии и в отсутствие тушителя и
СПЕЦИАЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ И ПРИМЕНЕНИЕ '
289
нашли, что тушение флуоресценции тушителями с тяжелыми
атомами действительно сопровождается увеличением выхода
триплетов. Относительные количества триплетов в присутствии
и в отсутствие бромбензола (Dt/Dt) и соответствующие значе-
ния тушения флуоресценции (F°/F) приведены в табл. 28. Из
этих данных, введя разумные допущения, Медингер и Уилкин-
сон рассчитали эффективности образования триплетов флуорес-
цирующих веществ.
Таблица 28
Тушение флуоресценции и увеличение образования триплетов
под влиянием бромбензола [103]
Соединение Растворитель Концен- трация бромбен- зола, М F°/F DT /dqt
Антрацен Жидкий парафин 0,93 2,08 1,17 1 П 75
Антрацен » » 1,92 3,35 1,205) и,» о
9-Метилантрацен » » 0,96 1,31 1,09 1 0 79
9-Метилантрацен » » 1,92 1,57 1,13 |
9-Фенилантрацен Изопропиловый спирт 0,96 1,50 1,30 П й1
9-Фенилантрацен » » 1,92 1,62 1,38 и,и 1
9-Фенилантрацен Жидкий парафин 0,48 1,12 1,18
9-Фенилантрацен » » 0,96 1,26 1,36 0 37
9-Фенилантрацен » » 1,92 1,44 1,64
9-Фенилантрацен » » 2,88 1,57 1,64
9,10-Дифенилантра- » » 1,92 1,07 1,5 0,12
цен
Кинетическая схема Медингера и Уилкинсона в наших обо-
значениях подобна схеме, обсуждавшейся в разделе II, Б, 1 и
дополненной двумя процессами тушения:
СКОРОСТЬ = I a, (272)
= (273)
(274)
’Л‘->3Л (275)
L4‘ + Q->M + Q (276)
M’ + Q->M + Q = k'Q [M-] [Q], (277)
3Л->М = kh[*A\. (278)
Условие стационарности для [М*] дает следующее уравнение:
Ф?/ф,= 1 +(^ + ^)[Q]t, (279)
где т — время жизни синглетного состояния в отсутствие туши-
теля. Выражение для относительных количеств триплетов
290
ГЛАВА tV
в присутствии и в отсутствие тушителя имеет следующий вид:
рт^ i + MQ]/*g z98m
Z)° 1+(*q + ^)[Q]t-
Исключив из уравнений (279) и (280) концентрацию тушителя,
получаем следующую формулу:
0G+т9ф?+ь (281)
<Pf \ / \ Kq /
где <р0 — эффективность образования триплетов в отсутствие
тушителя, равная kgx. (Отметим, что при очень высоких концен-
трациях тушителя в уравнения (279) и (280) необходимо вво-
дить поправки на кинетическую активность, которые изменяют
эффективное значение [Q]. Эти поправки, однако, не влияют на
уравнение (281), поскольку оно не зависит от [Q].)
Медингер и Уилкинсон установили, что отношение F°/F ли-
нейно зависит от величины (DtFq/DtF) — 1 и в соответствии
с уравнением (281) наклон графика равен (1 + Было
найдено, что суммы наклонов и соответствующих им значений
эффективности флуоресценции в пределах погрешностей опыта
составляют единицу, т. е.
(pO + (l+^Q)<pO=l. (282)
Это означает, что либо пренебрежимо мало kq, либо выпол-
няется следующее соотношение:
k'Q/kQ = knjkg, (283)
которое следует из того, что 1/т = kf + kn + kg. Трудно понять,
в силу каких причин для всех соединений &q/#q могло бы быть
равно knlkg, и поэтому Медингер и Уилкинсон считают, что, ве-
роятно, kfQ мало по сравнению с kQ и, следовательно, эффектив-
ность ф£ можно рассчитать по уравнению (281), пользуясь непо-
средственно измеренными значениями Fq/F и Dt/Dt- Рассчи-
танные этим методом эффективности образования триплетов
приведены в табл. 28. Результаты показывают, что для четырех
исследованных соединений в использованных авторами раство-
рителях сумма ф0 и ф^ равна единице.
В более поздней работе Медингер и Уилкинсон [219] приме-
нили свой метод к раствору пирена в этиловом спирте, взяв
в качестве тушителя иодистый этил. В разбавленных растворах,
где можно пренебречь образованием возбужденных димеров,
эффективность ф° оказалась равной 0,38, а сумма Ф^ + ф® —
близкой к единице (ф£ была взята из работы Паркера и Хат-
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 того, что
с процессами (273) — (275)
начнет конкурировать само-
тушение (сопровождающее-
ся образованием возбужден-
ных димеров; см. раздел IV,
Г, 3). Медингер и Уилкин-
сон нашли, что эффектив-
ность образования трипле-
тов действительно умень-
шалась в области высоких
концентраций (табл. 29),
однако медленнее, чем это
можно было ожидать. Они
предложили удовлетвори-
тельное объяснение своим
Таблица 29
Эффективности образования триплетов
(Ф,), флуоресценции мономеров (ф^)
и флуоресценции димеров (ф/>) [219]
Концентрация пирена <₽/ Фм РА <PD [34|
Низкая 0,38 0,65 0
2 • 10~5 0,38 0,63 0,02
1 • 10~" 0,33 0,52 0,08
3- ю-4 0,26 0,41 0,21
1 • ю-3 0,185 0,21 0,38
результатам, предположив, что при диссоциации возбужден-
ного димера получается триплетная молекула:
’А->3Р+ Ч
(284)
а также синглетные молекулы в электронно-возбужденном и
в основном состояниях (см. раздел IV, Г, 3):
(285)
'Р^'Р + 'Р. ' (286)
При высоких концентрациях пирена сумма фь фМ и фв оказа-
лась меньше единицы (табл. 29), что указывает на значитель-
ный вклад процесса (286) в распад возбужденного димера.
Эти результаты интересны еще и в том отношении, что ор-
ганические молекулы, содержащие тяжелые атомы, тушат син-
глетные состояния гораздо эффективнее, чем триплетные, — для
пирена отношение соответствующих констант тушения равно
примерно 2000.
5. Определение эффективности образования триплетов
на основе измерений замедленной флуоресценции
Другие 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
292
ГЛАВА IV
даже к таким соединениям, которые сами по себе не флуорес*
цируют. Поэтому мы рассмотрим их подробно.
Общие уравнения для эффективности сенсибилизованной за-
медленной флуоресценции типа Р обсуждались в разделе II, Г, 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 поглощение света донором приводит к заселению три-
плетных уровней акцептора в результате следующих процессов:
Скорость =/аФ?, (287)
зп + М i£) + зА = pD] [M]. (288)
Здесь вероятность р'е — та доля встреч, которая приводит к про-
цессу (288), и введена она для того, чтобы принять во внима-
ние возможность процесса
+ + М Скорость =(1 ->')^[3D][M]. (289)
Судьба акцептора определяется следующими процессами:
3А->1А Скорость =£/[3Л], (290)
+ М =рЛ(М]2, (291)
(292)
При больших концентрациях акцептора 3D потребляется почти
исключительно только в процессах (288) и (289) и скорость об-
разования триплетов акцептора равна p'Jа<$. При малых ско-
ростях поглощения света скоростью бимолекулярного процесса
(291) можно пренебречь по сравнению со скоростью процесса
(290), и поэтому
= = (293)
где т—время жизни триплета акцептора, равное удвоенному
времени жизни сенсибилизованной замедленной флуоресценции.
Следовательно, скорость испускания замедленной флуоресцен-
ции в процессах (291) и (292) равна
4 ^Pckc (ЗЛ12 == 4 4fPckc (294)
где ф/ — эффективность быстрой флуоресценции акцептора. Та-
ким образом, можно записать следующее выражение для отно-
шения интенсивностей сенсибилизованной замедленной флуо-
ресценции, испускаемой двумя растворами, содержащими один
СПЕЦИАЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ И ПРИМЕНЕНИЕ
293
и тот же акцептор, один и тот же растворитель, но различные
доноры:
_ (fg)i (реФ?)1 Т1 2
Gdf)2 - (^а)г ) 2 Т2 -
(295)
Следовательно, если вероятность р'е &ля обоих доноров одина-
кова (обычно ее считают равной единице), то, измерив в одном
и том же приборе и при известном отношении скоростей погло-
щения света относительные интенсивности и времена жизни за-
медленной флуоресценции, можно рассчитать отношение
(ф^Дф^Х* Паркер и Джойс [104, 220] выбрали в качестве акцеп-
тора перилен, а для возбуждения использовали длину волны
313 нм. В этой области спектра коэффициент погашения пери-
лена мал, поэтому эффективность образования триплетов низка
и вклад замедленной флуоресценции, вызываемой прямым воз-
буждением перилена, пренебрежимо мал. В качестве стандартно-
го донора они использовали антрацен, приняв для него(<р^)2 =
= 0,70. Результаты Паркера и Джойс приведены в табл. 30, из
которой видно, что для семи исследованных соединений сумма
(ф/ + ф/) близка к единице.
Таблица 30
Эффективности образования триплетов, полученные
на основе измерений замедленной флуоресценции
[Ю4]
Донор <pz Ф^ + Ф^
Антрацен [0,70] [0,30]
Аценафтен 0,45 0,39 0,84
Хризен 0,82 0,17 0,99
1-Метоксинафталин 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
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*10-5 714). Растворы
обезгаживают в вакууме, а затем сравнивают интенсивности
сенсибилизованной замедленной флуоресценции перилена, непо-
средственно получая отношение (Idf)iIВремена жизни
сенсибилизованной замедленной флуоресценции двух растворов
294
ГЛАВА IV
измеряют в отдельных опытах. Подстановка полученных данных
в уравнение (295) [(/a)i = (ЛО2] дает искомое отношение
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 того, что-
бы почти полностью потушить триплеты донора, и, следователь-
но, можно было применять уравнение (294). В случае доноров
Рис. 116. Замедленная флуоресценция перилена, сенсибилизованная аценаф-
теном [104].
2 —быстрая флуоресценция при чувствительности ХЗ, имеющая полосы аценафтена (слева)
и перилена (справа); 2 — замедленная флуоресценция при чувствительности Х150; 3 —замед-
ленная флуоресценция при чувствительности Х1500, указывающая на полное тушение три-
плетов аценафтена. Скорость поглощения света около 10""6 эйнштейн/(л*с). Ширина
полосы 10 нм. Спектры искажены вследствие самопоглощения и низкого разрешения.
с крутой кривой спектра поглощения в области возбуждения
основная погрешность 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 уровень которых расположен над триплетным уровнем вы-
бранного акцептора. Поскольку триплетный уровень перилена
лежит достаточно низко (<1,48 мкм-1, см. раздел IV, Б, 4),
описанный метод пригоден для широкого круга соединений.
Если же триплетный уровень исследуемого вещества располо-
жен низко, как, например, у самого перилена, можно использо-
вать другой метод [113].
СПЕЦИАЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ И ПРИМЕНЕНИЕ
295
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 (IDF) определяется уравнением (294),
которое мы перепишем в виде
М(ч>,'.) = 0,1 V, (29е)
где 0S — эффективность сенсибилизованной замедленной флуо-
ресценции, рс — вероятность образования синглет-возбужденной
молекулы перилена при встрече двух триплетов перилена; вхо-
дящая в формулу (294) вероятность р'е предполагается равной
единице. За исключением рс, все параметры, входящие в урав-
нение (296), известны (ср** антрацена предполагается равным
0,70) или же могут быть измерены, и, следовательно, из него
можно определить рс. Значение рс для перилена в трех раство-
рителях приведено в табл. 31. Затем этот параметр используется
при вычислении эффективности образования триплетов периле-
на из данных по его замедленной флуоресценции, возбуждаемой
Таблица 31
Сенсибилизованная замедленная флуоресценция перилена [113]
Растворитель 'a-W. эйнштейн/(л« с) (e/<₽f)-io3 <I03, с Рс
Этанол 1,39 0,93 4,34 0,026
н-Гексан 1,33 1,86 4,84 0,012
Циклогексан 1,33 0,42 3,92 0,012
Примечание. Все растворы содержали 10~5 М перилена и
5*10~5 М антрацена. Скорости поглощения света (/fl) относятся к антрацену
при 366 нм.
непосредственно*. Эффективность последней связана с эффек-
тивностью образования триплетов соотношением (138).
* В более поздней работе автора данной книги [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 рс
(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, од-
нако, на значениях эффективности образования триплетов (табл. 32 и
33). — Прим, ред.
296
ГЛАВА IV
В табл. 32 приведены величины 0/<р/, соответствующие измерен-
ным значениям /о, используя которые вместе со значениями рс
(табл. 31), можно рассчитать эффективность образования три-
плетов перилена. Низкие значения этой величины согласуются
с высокой эффективностью флуоресценции перилена (0,98 в бен-
золе), установленной Боуэном [182].
Таблица 32
Эффективность образования триплетов перилена [113]
Растворитель эйнштейн/(л* с) (9/<Pf)-10« <103, с
Этанол 1,97 2,1 4,34 0,0088
н-Г ексан 2,02 12,8 4,84 0,015
Циклогексан 2,07 2,6 3,92 0,014
Примечание. Все растворы содержали 10 5 М перилена. Ско-
рости поглощения света относятся к 436 нм.
Паркер и Джойс [114] определили описанным методом эф-
фективности образования триплетов для хлорофилла а и хлоро-
филла b в этаноле, использовав в качестве донора антрацен или
нафталин. Им пришлось вводить поправки из-за малого вклада
замедленной флуоресценции, возбуждаемой при непосредствен-
ном поглощении света хлорофиллом в растворах, содержащих
сенсибилизатор (подробные данные см. в оригинальной статье).
Полученные результаты включены в табл. 33. Сумма (ф/ + <pz)
заметно меньше единицы, что указывает на значительную роль
внутренней конверсии из электронно-возбужденного синглетно-
го 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 образования триплетов
на основе измерений фосфоресценции
Боркман и Кирнс [221] предложили способ приближенного
определения отношения <pt/ssr, где едт — коэффициент погаше-
ния при некоторой длине волны, отвечающей прямому переходу
Поскольку прямые измерения величины sst затруднены,
метод Воркмана и Кирнса нужно скорее рассматривать как спо-
соб определения именно этой величины для соединений, эффек-
тивность фг которых уже найдена другими методами. Поэтому
этот метод рассматривается в разделе IV, Б, 5.
СПЕЦИАЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ И ПРИМЕНЕНИЕ
297
Б. ПАРАМЕТРЫ ТРИПЛЕТНОГО СОСТОЯНИЯ
1. Скорость интеркомбинационной конверсии Т] -* So
Суммарная скорость исчезновения триплетных молекул сла-
гается из скоростей различных процессов, в которых эти моле-
кулы участвуют:
d [T]/dt = (kp + km + ke + kv + kq M + kQ [So]) [T] + ka [T]2.' (297)
Константа скорости тушения невозбужденными молекулами kG
часто мала, и скорость этого процесса можно снизить до прене-
брежимо низких значений, если работать в достаточно разбав-
ленных растворах. Некоторые триплетные молекулы быстро и
необратимо реагируют с растворителем: константа скорости этой
реакции kv обычно доминирует, и, например, время жизни три-
плетного бензофенона в изопропиловом спирте при комнатной
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 многих случаях эти выводы объясняют-
ся тем, что пренебрегали бимолекулярным триплет-триплетным
тушением, константа скорости которого ka часто контролируется
диффузией: при типичных для импульсных опытов концентра-
циях триплетов бимолекулярная реакция идет со скоростью,
сравнимой с суммой скоростей процессов первого порядка или
превышающей ее. Фосфоресценцию же или замедленную флуо-
ресценцию в жидких растворах удается измерять при таких ско-
ростях поглощения 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
— kp + + ke + kq [#] (298)
для многих «нереакционноспособных» триплетов в жидких рас-
творах имеют значения 102 — 103 с”1 (см. третью графу табл. 33).
Обычно они уменьшаются с температурой, хотя хлорофилл а и
хлорофилл 6, вероятно, являются исключением из правила [114,
223]. Пока еще не выяснено, какой вклад в составную константу
скорости вносит величина km. Трудность состоит в том, что ту-
шение примесями часто контролируется диффузией (kq ж kc ~
~ 1010 в таких растворителях, как этанол или гексан), поэтому
для того, чтобы время жизни было порядка 10 мс, концентрация
298
ГЛАВА IV
Таблица 33
Параметры триплетных состояний в этаноле при комнатной температуре
(синглетные энергии оценены по коротковолновой границе испускания)
Соединение Е’Р» мкм-1 V при 20° С, мс фг р * ES'_ мкм 1
Трифенилен 2,38 а — 0,09 0,89 — 2,90
Фенантрен 2,21 4 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 г 0,04 г 2,46
Профлавин 1,71 6,1 0,40 0,60 г 0,0001 г 2,04
Пирен 1,69 а И 0,72 0,27 0,27 2,69
1,2-Бензантрацен 1,65 а 9,4 0,20 0,80 г 0,21 г 2,59
Акридин 0 1,60 8,3 0,46 0,54 г 0,0001 г 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 в 8 0,89 0,032 0,07 2,48
9-Фенилантрацен — 1,47 в 15 0,49 0,47 0,05 2,54
9, 10-Дифенилантрацен и Г'-. СО СЧ V А 22 0,89 0,024 0,13 2,48
Бенз-(а)-пирен 1,47 а 8,8 0,42 0,58 г 0,02 г 2,48
Эозин 1,42 1,5 0,45 — — 1,80
Перилен 1,26 5,0 0,98 6 0,01 0,03 2,28
Хлорофилл b 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
а По фосфоресценции при 77 К.
б В бензоле.
в По сенсибилизации антраценом и периленом.
г Предполагая, что Ф^ + Ф^==1, а соответствующие значения рс минимальны.
* Значения рс следует уменьшить в 2 раза (0,025 для фенантрена, 0,28 для нафталина
и т. д.); см. примечание на стр. 295. — Прим. ред.
тушителя [д] не должна превышать 10"8Л4. Как было показано
в разделе III, Н, 7, чтобы прямо доказать, что данный образец
высокочистого растворителя содержит такое количество туша-
щей примеси, нужно приготовить другой образец растворителя,
который дает даже большее время жизни. Однако Стивенс и
Уокер [115] привели косвенные, но вполне убедительные доказа-
тельства того, что температурная зависимость скорости исчезно-
вения триплетов некоторых ароматических углеводородов в
жидком парафине обусловлена главным образом тушащими
примесями в растворителе или в исследуемом веществе. Кон-
центрация примесей значительно превышала 10~8 М, так как
вязкость жидкого парафина относительно велика и соответствен-
но константа kc сравнительно мала. Эта работа дает прекрасный
СПЕЦИАЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ И ПРИМЕНЕНИЕ
299
пример информации, которая может быть получена из измере-
ний фосфоресценции и замедленной флуоресценции типа Р, по-
этому мы рассмотрим ее несколько подробнее.
Рис. 117. Зависимости констант скорости от температуры в жидком па-
рафине, полученные по фосфоресценции (•) и по замедленной флуоресцен-
ции (О).
Л - аценафтен, Ы0“3 М; Б - пирен, 3-10“2 М, Ы0“2 М, 5-10“3 М, 1-10~3 М; В-1,2-бенз<
антрацен, 2«10~3М; Г — флуорантен, 5«10“2 М, 5«10~3 М.
Стивенс и Уокер измеряли значения времени жизни фосфо-
ресценции (т<) и замедленной флуоресценции типа Р (tdf) рас-
творов аценафтена, пирена, 1,2-бензантрацена и флуорантена
300
ГЛАВА IV
в жидком парафине в широком интервале температур. В значи-
тельной части температурного интервала они смогли зарегистри-
ровать оба типа испускания и обнаружили, что в этом диапазо-
не время жизни замедленной флуоресценции составляет поло-
вину времени жизни фосфоресценции, как этого 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. xt = 2xDF).
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
lg(^) = lg(l/T/) = lg(l/2Tof) (299)
от обратной температуры 1/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 kh стремится к пределу k°k,
который авторы приравняли следующей величине:
kah = kP + km, (300)
т. е. они предположили, что km не зависит от температуры.
С ростом температуры kh увеличивается так же, как должно бы
возрастать контролируемое диффузией тушение примесями в ре-
зультате уменьшения вязкости растворителя [224], т. е. по закону
<301)
где Е — «энергия активации» текучести растворителя (1/т]).
Следовательно, если пренебречь термической активацией
(&е[7']), то уравнение (298) можно переписать в следующей
форме:
kh = kp + km + -gg- [</] ехр (- EIRT), (302)
где ре — вероятность тушения триплета при его встрече с моле-
кулой примеси. График для "аценафтена (рис. 117, Л) можно
описать уравнением типа (302) с Е = 12,7 ккал, что близко
к энергии активации текучести растворителя (И ± 2 ккал). Сде-
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 kh для пирена увеличивались с ростом концентра-
ции пирена, хотя при любой данной концентрации график имел
такую же форму, как и в случае аценафтена (рис. 117, Б). Это
СПЕЦИАЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ И ПРИМЕНЕНИЕ
301
показывает, что в пирене присутствовала примесь по крайней
мере одного сорта, т. е. уравнение (302) следовало бы записать
так:
kh = kp + km + ([<?,] + [«/J) exp (- E/RT), (303)
где [?i] и [#2] — концентрации примесей, присутствующих в рас-
творителе и в веществе. Стивенс и Уокер нашли, что состав-
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 сред-
них температурах похожа по форме на кривые для аценафтена
и пирена, однако при высоких температурах kh почти не зависит
от температуры. Для объяснения этой особенности авторы пред-
положили, что разность триплетных энергий (ДЕ) бензантра-
цена и тушащей примеси достаточно мала для того, чтобы при
высоких температурах перенос энергии от триплета к синглету
мог идти в обоих направлениях (см. раздел II, В, 4 и рис. 29, В),
т. е. ч
ka
3В + 19^=±1В + 3^, (304)
kQ
причем
k^lkg = ехр (- bE/RT). (305)
Кинетический анализ показывает, что при таком механизме кон-
станта kh действительно становится постоянной в области
высоких температур и экспериментальные данные хорошо согла-
суются с теорией, если принять, что триплетный уровень при-
меси на 1 3 ккал ниже триплета бензантрацена, а ее концентра-
ция в последнем составляет 5 мол.%. Необходимость предпола-
гать столь высокую концентрацию примеси является, вероятно,
главным 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 поглощения.
Флуорантен (5 • 10-2 М) ведет себя так же, как и бензантра-
цен, но в области более высоких температур kh резко возрастает
с увеличением температуры (рис. 117, Г). 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, Г
(подробные данные см. в оригинальной работе).
Работа Стивенса и Уокера представляет собой наиболее под-
робное фотолюминесцентное исследование влияния вязкости
и температуры; как мы видели, это исследование показало, что
302
ГЛАЗА IV
Таблица 34
Время жизни триплета дианиона
эозина [19]
Температура, °C Время жизни, мс
в глицерине в этаноле
-196 10,7 9,1
-70 5,7 3,7
-20 3,0 2,7
+25 2,6 1,5
+70 0,9 0,7
рост kh с температурой обусловлен тушением примесью. Отсюда
можно сделать вывод о том, что изменение константы km в за-
висимости от температуры мало, по крайней мере по сравнению
с изменением kg[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.
И если тушение примесью
на самом деле является
единственной причиной тем-
пературного изменения kh,
то это изменение должно
быть наименьшим в случае
веществ, в которых триплет-
ный уровень лежит очень
низко. Такими веществами
являются хлорофиллы а и Ь9
и для них значения kh9 дей-
ствительно, слабо зависят
от температуры [114, 223];
правда, эти значения до-
вольно высоки, и возможно, что незначительное влияние тушения
примесями частично обусловлено высоким значением суммы
Для соединений, у которых значения (kp + km) при
77 К малы (например, ароматические углеводороды), имеется
лишь ограниченное число данных, относящихся к жидким рас-
творам при комнатной температуре (см. табл. 33). Эти данные
указывают лишь на очень грубую корреляцию между временем
жизни триплетного состояния и его энергией, как это и следо-
вало 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 триплетного
состояния эозина при разных температурах в глицерине и эта-
ноле (табл. 34). С ростом температуры константа kh увеличива-
лась, однако при любой выбранной температуре, несмотря на
существенное различие вязкостей растворителей, константы для
них различались не более чем в два раза. Отсюда можно сделать
вывод, что в этих растворах тушение, контролируемое диффу-
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 глицерина компенсиро-
валась более высоким содержанием в нем тушащих примесей.
Эту систему целесообразно исследовать более подробно.
2. Скорость интеркомбинационной конверсии Si+-7\
Интеркомбинационная конверсия из нижнего триплетного со-
стояния в первое электронно-возбужденное синглетное состояние
может происходить только после термической активации Тг на
более высокий колебательный уровень 7*, имеющий энергию,
равную или большую, чем энергия состояния Si. Поэтому она
наблюдается только для тех соединений, у которых Л очень
близко к Si, например у таких красителей, как эозин или про-
флавин (см. разделы I, В, 4 и II, Г, 1). Константу скорости про-
цесса T*i->Si(kga) можно определить, если известны эффектив-
ность фосфоресценции (фр), замедленной флуоресценции типа
Е (фе) и образования триплетов (фг), а также время жизни три-
плетного состояния (т). 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 II, Г, 1, график зависимости ве-
личины 1п(фе/фр) от обратной температуры представляет собой
прямую с отсечением, равным Тлф/Л, где xr— излучательное вре-
мя жизни триплетного состояния, а А — частотный фактор для
константы скорости
ke = А ехр (- \EIRT). (306)
Значение А можно рассчитать из отсечения логарифмического
графика (табл. 35). Важность значения А легко понять, если
рассмотреть отдельные стадии процесса термической активации
из 7\ в Si. Этот процесс включает заселение более высоких коле-
бательных уровней (г*) триплетного состояния, за которым сле-
дует собственно интеркомбинационная конверсия:
(307)
при этом
[Г;]/[Т1] = ехр (- ЬЕ/ЦТ). (308)
Если предположить, что скорость установления термического
равновесия между Л и 71 (~ 1012с-1) гораздо больше, чем k$a,
304
ГЛАВА IV
Таблица 35
Интеркомбинационная конверсия для эозина
в глицерине при комнатной температуре
<pf ф/<(1 -<₽f) ф₽/т тл = ФЛ/Фр Отсечение логарифмического графика (= Tfi<pf А) MT^Si) = A 0,45 <0,55 4,8 с"1 <0,11 с 0,5-107 >1,0- 108с-'
хг (синглет) = 1/^^ т (синглет) = qyrr (синглет) kg (Sj -> Г*) = ф^/тг (синглет) 3-10~9 с 1,4- 10~9 с < 4 - 108 с-‘
то для скорости заселения состояния Si путем перехода из со-
стояния Ti можно записать
ke [Tj] = kga [Л] = kga [TJ exp (- XE/RT), (309)
и, следовательно,
kga = A. (310)
Вычисленное этим методом значение константы скорости kga
приведено в табл. 35, где указана также константа скорости kg,
найденная из эффективности быстрой флуоресценции и излуча-
тельного времени жизни синглетного состояния способом, опи-
санным в предыдущем разделе. Можно отметить, что константы
скорости kga и kg процессов Si*-Ti и имеют оди-
наковый порядок величины.
3. Вероятность переноса анергии от триплета
к триплету
В общем случае встреча двух триплетных молекул приводит
к образованию следующих продуктов (при условии, что нет
энергетических затруднений):
M + M->L4‘ + 4 (311)
+ (312)
+ (313)
->3Л + 3Л, (314)
(315)
СПЕЦИАЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ И ПРИМЕНЕНИЕ
305
В разбавленных растворах многих соединений замедленная
флуоресценция димеров [возбуждаемая в процессе (315)] незна-
чительна или пренебрежимо мала по сравнению с замедленной
флуоресценцией мономеров. Поэтому квантовую эффективность
последней [см. уравнение (138)] удобно выразить через диффу-
зионную константу скорости (&с) и вероятность (рс) возбуждения
синглетного состояния при встрече двух триплетных молекул.
В этом случае уравнение (138) можно записать в следующем
виде:
= (316)
Va(^T)2
Величины 0/ф/, 1а и т измерить сравнительно легко, константу
скорости kc можно вычислить из уравнения (80), а величину ср*
определить одним из методов, обсуждавшихся в разделе IV, А.
По этим данным нетрудно рассчитать значения рс для некоторых
триплетов в этаноле; они представлены в шестой графе табл. 33.
Очень низкие значения для двух катионных соединений —
профлавина и акридинового оранжевого — можно качественно
объяснить взаимным электростатическим отталкиванием, затруд-
няющим сближение триплетов. Особенно интересно рассмотреть
значения рс для 9- и 9, 10-замещенных антраценов [179]. Если пе-
ренос энергии от триплета к триплету требует непосредственного
сближения молекул и такого их расположения, чтобы их плоско-
сти и оси были параллельны, то следует ожидать, что стериче-
ские затруднёния, возникающие в результате замещения в поло-
жениях 9 и 10, будут уменьшать вероятность рс. Действительно,
введение заместителя в одно из этих положений уменьшает ве-
личину Рс, однако для 9, 10-дизамещенных она снова возрастает.
Поэтому кажется вероятным, что перенос энергии 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 устойчивого фотодимера может, следовательно, конку-
рировать с переносом энергии от триплета к триплету и умень-
шать значение рс для незамещенного антрацена, хотя даже по-
следний образует возбужденный димер при низкой температуре
[179].
Что касается остальных соединений, то для них трудно уста-
новить какую-либо корреляцию между рс и другими парамет-
рами триплетов. Если предположить, что для этих соединений
полная скорость триплет-триплетного тушения близка к значе-
нию, контролируемому диффузией, то величина рс может бцть
306
ГЛАВА IV
выражена через скорости реакций (311) — (315), а именно
Рс== ^з11/(^зн + ^312 + ^з1з + ^314 + ^зи)- (317)
Очевидно, что определенный вклад в возбуждение замедленной
флуоресценции будет вносить реакция (313), за которой сле-
дует процесс
5Л->М*, (318)
а также диссоциация возбужденного димера, получающегося в
результате процесса (315). Таким образом, с учетом этих процес-
сов значение рс может оказаться больше, чем в их отсутствие.
Для некоторых соединений, например для нафталина, из урав-
нения (316) получаются высокие значения рс. Можно дать два
различных объяснения этой особенности. Можно предположить,
что действительно высока вероятность рс, определяемая уравне-
нием (317), или что эффективная константа скорости бимолеку-
лярного триплет-триплетного тушения существенно выше рассчи-
танной из уравнения (80), т. значительная доля процессов пе-
реноса энергии от триплета к триплету происходит на расстоя-
ниях, превышающих расстояния встречи. Этот вопрос можно
было бы решить путем точных измерений полной скорости три-
плет-триплетного тушения, например методом импульсной аб-
сорбционной спектроскопии.
4. Определение энергии триплетного состояния
Простейшим способом определения энергии триплетного со-
стояния является измерение спектра фосфоресценции в твердом
растворе при низкой температуре. С достаточной точностью за
энергию триплетного состояния можно принять волновое число
0-0-полосы (строго говоря, она равна среднему волновых чисел
0-0-полос поглощения и испускания). Этот способ можно приме-
нить для любого соединения, имеющего в указанных условиях
заметный выход фосфоресценции, при условии, что коротковол-
новый предел испускания лежит в области чувствительности
спектрофосфориметра. Здесь уместно сделать два предостереже-
ния. Во-первых, 0-0-полосу иногда легко спутать с 0-1-полосой,
поскольку первая для некоторых соединений гораздо слабее вто-
рой. Во-вторых, для соединений со слабой фосфоресценцией
чрезвычайно серьезным является вопрос их чистоты: если имеет-
ся примесь с сильной фосфоресценцией, спектр испускания кото-
рой лежит в коротковолновой области испускания исследуемого
вещества, то испускание примеси может быть ошибочно принято
за 0-0-полосу.
Хаммонд и сотр. [225] измерили данным методом энергию три-
плетного состояния 41 органического соединения в углеводород-
ных растворителях (табл. 36). Некоторые значения, полученные
СПЕЦИАЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ И ПРИМЕНЕНИЕ
307
при использовании этанола в качестве растворителя, приведены
во второй графе табл. 33, а триплетные энергии, найденные дру-
гими авторами, — в табл. 37.
Таблица 36
Триплетные энергии, измеренные по фосфоресценции
в углеводородных растворителях при 77 К [225]
Соединение fj’, 1 мкм Соединение ЕТ> мкм"”1
Пропиофенон 2,61 Фенилглиоксаль 2,19
Ксантон 2,60 Антрахинон 2,18
Ацетофенон 2,58 Фенантрен 2,18
1, 3, 5-Триацетилбензол 2,57 а-Нафтофлавон 2,18
Изобутирофенон 2,56 Флавон 2,17
1,3-Дифенилпропанэн-2 2,53 Этилфенилглиоксалат 2,17
Бензальдегид 2,52 4,4'-бнс-(Диметиламино)-бензо- 2,14
Т рифенилметилфенилкетон 2,48 фенон
Карбазол 2,45 Нафталин 2,13
Окись дифенилена 2,45 Р-Нафтилфенилкетон 2,09
Трифениламин 2,45 р-Нафтальдегид 2,08
Дибензотиофен 2,44 р-Ацетонафтон 2,08
о-Дибензоилбензол 2,41 а-Нафтилфенилкетон 2,01
Бензофенон 2,40 а-Ацетонафтон 1,97
44'-Дихлорбензофенон 2,38 а-Нафтальдегид 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-Цианбепзофенон 2,32 Флуоренон 1,87
Тиоксантон 2,29 Пирен 1,70
Для ряда важных соединений метод измерения фосфоресцен-
ции при 77 К неприменим либо вследствие слишком низкой ее
эффективности, либо потому, что она расположена в инфракрас-
ной области спектра, где спектрофосфориметры нечувствительны.
Для таких веществ триплетные энергии можно получить из изме-
рений замедленной флуоресценции типа Е или Р. Например,
хлорофилл а и хлорофилл Ъ в пропиленгликоле при умеренных
скоростях поглощения света испускают только замедленную
флуоресценцию типа Е [114], и измерения зависимости ее эффек-
тивности и времени жизни от температуры дают все необходи-
мые данные для вычисления разности энергий (ДЕ) между три-
плетным и первым возбужденным синглетным уровнями. Эф-
фективность замедленной флуоресценции типа Е выражается
уравнением (123), которое можно записать в виде
<Рг/ф? = 'ГдФИ ехр(— &E/RT) (319)
или, подставив в него <рр из формулы (103),
<рДт<рД= <ftA ехр (— ЬЕ/КГ). (320)
Соединение /Гу, мкм""1 Литера- тура
Бензол 2,94 226
Толуол 2,88 226
Фенол 2,86 226
Анизол 2,82 226
Бензоат-ион 2,77 226
Бензойная кислота 2,72 226
Анилин 2,68 226
Флуорен 2,38 226
Хинолин 2,20 227
Хинолиний-ион 2,16 227
0-Нафтиламмоний-ион 2,13 227
К,Ы-Диметил-0-нафтиламмоний-ион 2,13 227
0-Нафтол 2,11 227
0-Бромнафталин 2,11 30
а-Фторнафталин 2,10 226
0-Хлорнафталин 2,10~ 30
Р-Иоднафталин 2,10 30
Соединение
£у,
мкм“
Литера-
тура
а-Метилнафталин 2,09 226
Р-Нафтиламин 2,09 227
а-Нафтоат-ион 2,08 227
а-Хлорнафталин 2,07 30
а-Бромнафталин 2,07 30
а-Иоднафталин 2,05 228
а-Нафтол 2,05 30
Р-Нафтолат-ион 2,04 227
а-Нафтойная кислота 2,04 227
М,Ы-Диметил-р-нафтиламин 2,03 227
р-Нафтойная кислота 2,02 227
Р-Нафтоат-ион 2,02 227
Диацетил 1,97 30
а-Нитронафталин 1,92 30
Коронен 1,91 226
а-Нафтиламин 1,90 226
1,2,5,6-Д ибензантрацен 1,83 226
Нафтацен 1,03 ' 122
СПЕЦИАЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ И ПРИМЕНЕНИЕ
309
Следовательно, если в рассматриваемом интервале температур
эффективность образования триплетов <р/ постоянна, то график
зависимости величины 1п[<ре/(т<р/)] от обратной температуры бу-
дет прямой линией с наклоном Паркер и Джойс [114] под-
твердили это на опыте; из своих данных они определили Д£ и,
взяв.известные значения синглетной энергии (рассчитанные по
максимумам в спектрах поглощения и быстрой флуоресценции),
вычислили энергии триплетных состояний хлорофилла а и хло-
рофилла Ь, приведенные во второй графе табл. 33.
Нужно отметить, что растворы хлорофилла испускают замед-
ленную флуоресценцию обоих типов — Е и Р [114]: первая доми-
нирует при низких скоростях поглощения света в вязких раство-
рителях (пропиленгликоль), вторая — при высоких скоростях
в менее вязких растворителях (этанол). Интересно также, что
фотовозбуждаемая замедленная флуоресценция (вероятно, хло-
рофилла а) испускается живыми листьями многих растений [229].
Паркер и Джойс [229] полагают, что это замедленная флуорес-
ценция типа Е молекул хлорофилла, находящихся в тех центрах
фотосинтетических единиц, в которых реакции с субстратом за-
труднены.
В общем случае триплетную энергию соединения можно оп-
ределить по известным триплетным энергиям двух других, «проб-
ных» соединений. Если для одного из «пробных» соединений ис-
следуемое соединение служит донором (например, если оно мо-
жет сенсибилизировать замедленную флуоресценцию типа Р
«пробного» вещества), а для другого — акцептором, то его три-
плетная энергия должна лежать между триплетными энергиями
этих двух «пробных» соединений (см. раздел II, Г, 5). Такую се-
лективную сенсибилизацию замедленной флуоресценции типа Р
наблюдали для ряда ароматических углеводородов с сенсибили-
заторами профлавином, акридиновым оранжевым и эозином
[НО]*.
* На принципе использования «пробных» соединений (сенсибилизаторов)
с известными триплетными энергиями основан весьма простой и изящный,
хотя и косвенный, метод Ульмана и сотр. [Ullman Е. F., J. Am. Chem. Soc.,
86, 5357 (1964); Ullman Е. F., Henderson W. A., J. Am. Chem. Soc., 89, 4390
(1967)], пригодный для оценки энергий триплетных состояний, имеющих вре-
мена жизни короче ~ 10'7 и энергии меньше 64 ккал/моль. При фотосенсиби-
лизированном окислении соединения I устанавливается фотостационарное со-
СбН5
О
310
ГЛАВА IV
Несколько иной способ был использован для оценки положе-
ния триплетного уровня перилена [113]. При прямом возбужде-
нии этого соединения наблюдается слабая замедленная флуо-
ресценция типа Р, и, следовательно, его триплетная энергия
должна быть по крайней мере не меньше половины энергии синг-
летного возбужденного состояния, т. е. 1,14 мкм”1 (см. раздел
II, Г, 5). Замедленная флуоресценция типа Р сильно сенсибили-
зуется антраценом, и, следовательно, триплетная энергия пери-
лена должна быть меньше 1,48 мкм”1 Указанные пределы согла-
суются с рассчитанным значением [230], которое приведено
в табл. 33.
5. Данные о триплетах, определяемые по So-
возбуждению
Мы видели (раздел I, В, 1), что для триплетных молекул, со-
держащих легкие атомы, вероятность 7\ So-перехода чрезвы-
чайно мала. Соответствующие коэффициенты погашения (етз)
поэтому тоже очень малы и измерить их трудно. Х)днако_£ха.
можно^уведишть^е^^ молекулу тяжелые атомы [226]
или взять раствсщители, ходержлщиетяжель1едтомы[218]; такое
влйяние растворителя можно использовать, чтобы облегчить из-
мерения спектров триплет-синглетного поглощения [231, 232].
Иной метод определения спектра триплет-синглетного погло-
щения применили Кирнс и сотр. [221,233]. Этот метод состоит
в измерении спектра возбуждения фосфоресценции в тех обла-
стях длин волн, где расположены спектры как 7i4-S0-, так и
Si<- So-поглощения, в результате чего получаются данные, из
которых можно рассчитать отношение qt/tTs- Рассмотрим этот
метод несколько подробнее.
Пусть &TS — это коэффициент погашения вещества в преде-
лах полосы триплет-синглетного поглощения, a ITs — интенсив^
ность возбуждающего света в области этой полосы. Нетрудно
показать [см. вывод формулы (21) в разделе II, В, 2), что при
малой оптической плотности регистрируемую интенсивность
фосфоресценции PTs можно записать в виде
Pts~ тs^tsctзФр/ф/, (321)
где w — постоянная прибора, a cTs— концентрация вещества,
при которой измеряется спектр возбуждения фосфоресценции.
Если при изменении длины волны возбуждающего света его
квантовая интенсивность остается постоянной, то Pts будет про-
стояние и определенная окраска раствора, определяемая стационарной кон-
центрацией промежуточного продукта. Исследуемое вещество изменяет или
не изменяет окраску в зависимости от того, расположен его триплетный уро-
вень ниже или выше триплетного уровня сенсибилизатора. — Прим. ред.
СПЕЦИАЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ И ПРИМЕНЕНИЕ
311
порционально ers, т. е. спектр возбуждения фосфоресценции бу-
дет повторять по форме спектр Т\ <- 50-поглощения.
Рассмотрим теперь спектр фосфоресценции, возбуждаемый
в пределах полосы Si So-поглощения, для которой коэффи-
циент погашения равен ess, концентрация равна cS8, а интенсив-
ность возбуждающего света 188. И в этом случае измеряемая
интенсивность фосфоресценции (Pss) будет определяться урав-
нением, аналогичным уравнению (21), а именно
Pss — sszsscss4>p*
(322)
Из уравнений (321) и (322) получаем
- pssfTScTS
ers prsIsscssess
(323)
Все величины из правой части уравнения (323) легко опреде-
ляются. Поэтому, если независимым методом можно определить
фь то можно рассчитать и ers. На практике значения с88 и ст8
следует выбирать так, чтобы при получающейся оптической
плотности можно было пренебречь эффектом внутреннего
фильтра; концентрация с88 при этом должна быть низкой, од-
нако, чтобы получить измеримые значения PTs, нужно взять
очень высокие значения сТ8.
Эффективность фосфоресценции в жидких растворах слиш-
ком мала для того, чтобы применить этот метод. При этих ус-
ловиях часто гораздо интенсивнее замедленная флуоресценция
типа Р. В принципе ее можно возбудить светом, поглощаемым
в пределах триплет-синглетной полосы, а зависимость ее интен-
сивности от длины волны возбуждающего света использовать
для определения спектра триплет-синглетного поглощения. По-
скольку интенсивность замедленной флуоресценции типа Р про-
порциональна квадрату интенсивности поглощения, то эквива-
лентом уравнения (323) будет следующее выражение:
Ф* ¥ (Jdf)ss ^tsctsi:ts
ers / <Jdf)ts ^sscssxsse,ss.
(324)
где IDf и t (с соответствующими индексами) представляют со-
бой интенсивности и времена жизни замедленной флуоресцен-
ции типа Р при Ti<-S0- и Si So-возбуждении и при концен-
трациях вещества cTs и с88 соответственно. Насколько известно
автору, в жидких растворах такие измерения пока еще не про-
водились, но Авакян и сотр. [234] измерили спектр триплет-
синглетного возбуждения замедленной флуоресценции кристал-
лического антрацена.
312
ГЛАВА IV
В. ХИМИЧЕСКОЕ РАВНОВЕСИЕ В ВОЗБУЖДЕННОМ СОСТОЯНИИ
1. Общие принципы
Химические соединения отличаются друг от друга химиче-
скими и физическими свойствами, которые определяются глав-
ным образом орбитальным распределением электронов. По-
этому молекулу, находящуюся в одном из возбужденных со-
стояний, можно рассматривать как некое новое соединение,
полностью отличное от молекулы в основном состоянии, т. е. как
«метастабильный изомер» невозбужденной молекулы, который
от обычного изомера отличается тем, что в темноте при соот-
ветствующих условиях последний может существовать неопре-
деленно долго. Эта новая молекула может испытывать целый
ряд химических превращений, невозможных для невозбужден-
ной молекулы, которые обычно называют «фотохимическими
реакциями» молекул в основном состоянии. Она может также
вступать в такие реакции, которые характерны и для невозбуж-
денной молекулы; если эти реакции обратимы, то следует ожи-
дать, что константы равновесия будут разными в основном и
в электронно-возбужденном состоянии. В этом разделе мы рас-
смотрим важный класс таких реакций, а именно протолитиче-
ское равновесие.
Рассмотрим равновесие между кислотой J?H и сопряженным
основанием R", для которого рК в основном состоянии равно 7:
' RH + Н2О R" + Н3О+, (325)
а рК в электронно-возбужденном состоянии (рК*) равно 3:
(RH)’ + Н2О <*(R-)‘ + Н3О+. (326)
Допустим, что RH и R" имеют характеристичные спектры по-
глощения в видимой или ближней ультрафиолетовой области и
испускают характеристичные полосы флуоресценции, каждая
из которых” расположена непосредственно с длинноволновой
стороны соответствующего спектра поглощения. В сильноще-
лочном растворе будет присутствовать только R" и в результате
возбуждения появится только флуоресценция, обусловленная
переходом
(R")*->R“+ftv'. (327)
В сильнокислом растворе (pH <С 3) будет существовать только
RH и раствор будет испускать только вторую полосу флуорес-
ценции, отвечающую переходу
(RH)*->RH4-ftv. (328)
В промежуточном случае, например при pH 5, в темноте будет
присутствовать практически только RH и при возбуждении по-
СПЕЦИАЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ И ПРИМЕНЕНИЕ
313
лучится (RH)*. При этом значении pH (RH)* будет стремиться
диссоциировать, и поэтому мы вправе ожидать появления по-
лосы флуоресценции R”, возникающей в результате диссоциации
возбужденного состояния
(RH)’ + Н2О -> (R-)* + Н3О+, (329)
и следующего процесса (327). Для того чтобы при pH 5 наблю-
далась заметная флуоресценция (R-)*, должны быть выпол-
нены еще два условия:
а) При отщеплении протона от (RH)* не должна теряться
энергия электронного возбуждения, т. е. процесс (329) должен
быть достаточно быстрым для того, чтобы конкурировать с дис-
социацией, дающей молекулы в основном состоянии:
(RH)* + Н2О -> R" + Н3О+ + Тепло. (330)
б) Процесс (329) должен быть достаточно быстрым для
того, чтобы конкурировать с идущими по первому порядку про-
цессами излучательной и безызлучательной конверсии (RH)*
в основное состояние, т. е.
k (диссоциация)^. 1/т, (331)
где т — время жизни (RH) *.
Оба эти условия выполняются для многих флуоресцирующих
систем протолитических реакций, хотя часто равновесие в элек-
тронно-возбужденном состоянии не успевает установиться пол-
ностью перед испусканием флуоресценции.
«Аномальную» флуоресценцию, обусловленную протолитиче-
ской диссоциацией, впервые наблюдал Вебер [235]. Он обнару-
жил, что флуоресценция 1-нафтиламин-4-сульфоната в нейтраль-
ном растворе сине-фиолетовая, а при переходе к сильнощелоч-
ному раствору становится зеленой, хотя никаких изменений
спектра поглощения при этом не происходит. Это явление объяс-
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 рас-
сматриваются два соединения этого типа, которые отличаются
друг от друга тем, что для одного из них перед испусканием
флуоресценции успевает установиться равновесие в возбужден-
ном состоянии, а для другого не успевает.
В основном состоянии р-нафтиламин имеет рК 4,07, соответ»
ствующее равновесию
NpNH3+ + Н2О NpNH2 + Н3О+, (332)
и, следовательно, при pH > 6 он находится практически только
в форме свободного основания NpNH2, которому принадлежит
314
ГЛАВА IV
полоса фиолетовой флуоресценции с максимумом при 420 нм
(рис. 118, кривая /). Эта же самая полоса появляется и при
pH 2 (рис. 118, кривая 2), т. е. в условиях, когда раствор содер-
жит преимущественно протонированные молекулы, так как pH
на две единицы меньше, чем рК. Очевидно, что после возбужде-
ния NpNH^ диссоциирует; следовательно, рК в возбужденном
состоянии должно быть значительно меньше двух. Флуоресцен-
ция нафтиламмоний-иона лежит в ультрафиолетовой области,
Рис. 118. Зависимость от pH спектров испускания флуоресценции раство-
ров р-нафтиламина (слева) и р-нафтола (справа) [238].
1 — 5 — 3-нафтиламин при pH 9, 2, —1,5, —5 и 14; 6 — 9— р-нафтол при pH 13, 9, 3 и 0.
т. е. при несколько больших длинах волн, чем его поглощение, и,
чтобы наблюдать ее при полном отсутствии синей флуоресцен-
ции свободного основания, Фёрстеру пришлось взять очень кис-
лые растворы, такие, что им соответствовали отрицательные
значения pH (по шкале кислотности Гаммета) (см. рис. 118,
кривая 4). Переход от «основного» спектра к «кислотному» при
изменении pH очень резкий, и это указывает, что в возбужден-
ном состоянии равновесие устанавливается почти полностью,
прежде чем обе формы испустят флуоресценцию. Значение pH
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 NpNH^ является гораздо более
сильной кислотой.
Фёрстер обнаружил, что при переходе к сильнощелочному
раствору (pH 14) наблюдаются дальнейшие изменения спектра
флуоресценции и в нем появляется зеленая полоса (рис. 118,
кривая 5), хотя спектр поглощения остается таким же, как и
при pH 9. Та же зеленая флуоресценция испускается и раство-
рами |3-нафтиламина в жидком аммиаке, содержащими амид
натрия, т. е. в такой системе, где анионы р-нафтиламина обра-
зуются в результате ионизации. В, водных растворах эти ионы
СПЕЦИАЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ И ПРИМЕНЕНИЕ
315
не существуют в основном состоянии, однако появление их ха-
рактерного испускания говорит о том, что они образуются в
электронно-возбужденном состоянии
(NpNH2)* + ОН~ ->(NpNH')* + Н2О. (333)
Эти представления подтверждаются тем, что аналогичные из-
менения спектра флуоресценции наблюдаются в щелочном рас-
творе N-метил-р-нафтиламина, но не М,М-диметил-|3-нафтилами-
на, у которого нет протона.
Фёрстер установил, что и в случае фенолов кислотность уве-
личивается при возбуждении, однако для этих соединений ско-
рости реакций обычно недостаточно велики для того, чтобы
равновесие установилось до осуществления излучательной или
безызлучательной дезактивации электронно-возбужденных со-
стояний. Поэтому зависимость спектров флуоресценции от pH
определяется как значением рК* для равновесия в электронно-
возбужденном состоянии, так и скоростями реакций. Например,
в случае |3-нафтола при pH 13 в системе имеются только нафто-
лат-ионы в основном состоянии, которые дают синюю флуорес-
ценцию, обусловленную (NpO-)* (рис. 118, кривая 6). При pH О
присутствует только недиссоциированный |3-нафтол и наблю-
дается только фиолетовая флуоресценция (NpOH)* (рис. 118,
кривая 9). Значение рК для равновесия в основном состоянии
NpOH + Н2О # NpO" + Н3О+ (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 pH
(в пределах четырех единиц pH от 1 до 99% каждой формы)
в некоторой точке между pH 13 и 0. В действительности же оба
типа флуоресценции присутствуют в широком диапазоне pH —
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 pH (~6) возбудившиеся молекулы (NpOH)*
начинают ионизоваться, однако еще до того, как этот процесс
осуществится полностью, оставшиеся молекулы (NpOH)* воз-
вращаются в основное состояние с испусканием своей харак-
терной флуоресценции. В возбужденном состоянии рК* около 3
и при pH меньше этого значения равновесие в возбужденном
состоянии сдвигается в сторону (NpOH)*, а при pH < 1,0 синяя
флуоресценция (NpO-)* практически отсутствует.
2. Связь между спектрами и константами равновесия
В разделе I, Б, 3 было показано, что молекула сразу же
после 0-0-перехода в поглощении релаксирует в состояние не-
сколько меньшей энергии, соответствующее устойчивой конфи«
316
ГЛАВА IV
гурации в низшем колебательном состоянии возбужденного
электронного состояния. Такая же релаксация происходит и
сразу посде 0-0-перехода, отвечающего испусканию флуорес-
ценции. В результате этих процессов релаксации разность энер-
гий устойчивых конфигураций основного и первого возбужден-
ного состояний (т. е. уровней а и с на рис. 4) оказывается не
сколько меньше, чем hv для поглощения, но больше, чем hv
для испускания, и наилучшим определяемым значением энергии
первого электронно-возбужденного синглетного состояния яв-
ляется среднее между этими двумя значениями, т. е.
= 4 (^Vabs + ^em)- (335)
В тех случаях, когда полосы поглощения и испускания не обла-
дают колебательной структурой, определить положение 0-0-пе-
реходов невозможно, но формулу (335)
можно использовать для нахождения ESt
если за /zvabs и hvem принять положения
максимумов в спектрах. Используя эти зна-
чения Es, можно, как это впервые сделал
Фёрстер [236], построить схему энергетиче-
ских уровней для систем, в которых суще-
ствует равновесие как в основном, так и в
возбужденном состояниях (рис. 119). Схе-
ма относится к такому случаю, когда в воз-
бужденном состоянии молярная энтальпия
(ДЯ*) реакции больше, чем в основном
состоянии (ДЯ). Соединением такого типа
является, например, р-нафтол; примеры об-
ратного соотношения будут рассмотрены несколько позднее. Из
схемы рис. 119 видно, что
£1-£2 = ДЯ-ДЯ*. (336)
Это выражение правильно, разумеется, при любых ДЯ и ДЯ*:
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
ДG = ДЯ - Т ДЗ = - RT In К, (337)
то получим
= = (338)
Подставив значение постоянной Планка и выразив волновое
число в обратных микронах, получим
рК” —рК — 6,25т103 (Av) (339)
(R')*+H+
(RH)*
I
RH
Рис. 119. Уровни
энергии кислой и
основной форм.
СПЕЦИАЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ И ПРИМЕНЕНИЕ
317
или при 20° С:
pK* = pK-21,4(Av). (340)
Далее, вместо значения Av с хорошим приближением можно
взять разность максимумов поглощения (или флуоресценции)
кислой и щелочной форм, и, таким образом, значения рК* мож-
но приблизительно рассчитать только из данных по поглощению.
Из уравнения (340) следует простое правило: сдвиг в спектре
при переходе от кислой к щелочной форме на 0,1 мкм-1 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 pH, 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
Константы диссоциации кислот (рК*) в нижнем
электронно-возбужденном синглетном состоянии
Кислота РК РК* Литера- тура
по разно- сти спектро- скопиче- ской энергии по измене- ниям спектра флуорес- ценции
Фенол 10,0 5,7 239
а-Нафтол 9,23 2,0 2,5 240
Р-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-Hatj )талиндиол 8,1 а 2,4 242
1,5-Нас )талиндиол 8,1 а 2,9 242
1,7-Нас )талиндиол 10,3 а 3,1 242
1,8-Нас >талиндиол 9,8 а 2,9 242
2,3-Нас >талиндиол 9,9 а 3,2 242
2,6-На( >талиндиол 9,3 а 3,4 242
2,7-Нас )талиндиол 9,2 а 2,5 242
3-Оксипирен-5,8,Ю-три- сульфонат 7,30 1,0 1,38 240
З-Ацетиламинопирен- -5,8,10-трисульфонат 13,90 6,7 6,9 241
Катион акридиния 5,45 10,3 10,65 243
Катион р-нафтойной кислоты — -6,9 — -0 238
р-Нафтиламин > 14 — -14 238
Катион р-нафтиламина 4,07 1,5 238
а Рассчитано по данным четвертой графы и спектроскопическому
значению рК — рК*.
318
ГЛАВА IV
3. Зависимость интенсивности флуоресценции от pH
Следствия из уравнений (336) и (339) и рис. 119 стоит об-
судить подробнее. Во-первых, очевидно, что в спектре поглоще-
ния при больших длинах
Значение pH ВОЛН будет ПОЯВЛЯТЬСЯ
О рК* 6 рК 12 о* & о полоса той формы, кото-
1—пт" 1 LTTZZk— л#>б4Рая более устойчива в
Значение pH
Рис. 120. Зависимость интенсивности флуо-
ресценции от pH для системы RH
возбужденном состоянии.
Поэтому всегда можно
подобрать для возбужде-
ния такую длину волны,
которая будет возбуждать
только эту форму (на-
пример, R" на рис. 119).
* Из данных табл. 38 вид-
но, что снижение рК при
возбуждении часто дости-
гает 6—8 единиц pH. При
всех значениях pH, при
которых в растворе содер-
жится заметное количе-
ство R’, равновесное
значение отношения
[RH]*/[R"]* в возбужден-
ном состоянии будет пре-
небрежимо мало, т. е.
при возбуждении в поло-
се длинноволновой формы
R~ + Н+.
Предполагается, что основная форма R
(сплошные кривые и символы со штрихами) имеет
наиболее низко расположенное синглет-возбужден-
ное состояние и поглощает при длине волны Л2,
при которой кислая форма RH (пунктирные кривые
и символы без штрихов) прозрачна. е2—коэффи-
циент экстинкции R” при 8j и — коэффи-
циенты экстинкции R“ и RH при более короткой
длине волны Принято, что Фо и Фо не зависят
от длины волны. Кривые соответствуют системе,
для которой е^ = 1,бЕ2=2е1 и Ф0=2,5ф'.
А —возбуждение при длине волны Л2; Б и
В —возбуждение при длине волны
В случае В равновесие успевает установиться
при всех pH до того, как произойдет заметное
испускание флуоресценции. В случае В до испу-
скания флуоресценции успевает диссоциировать
доля (х) молекул кислоты, равная 0,5 (при pH 6).
будет возникать флуорес-
ценция только этой фор-
мы. В разбавленном рас-
творе интенсивность флу-
оресценции будет пропор-
циональна концентрации
данной формы (т. е [R-]
в примере, показанном на
рис. 119), и, следователь-
но, измерения этой флуо-
ресценции можно исполь-
зовать для определения
рК в основном состоянии.
Влияние pH на интен-
сивности флуоресценции
основной и кислой форм
показано на рис. 120. Кри-
СПЕЦИАЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ И ПРИМЕНЕНИЕ
319
вые рассчитаны для растворов, разбавленных настолько, что
можно пренебречь эффектом внутреннего фильтра, и, следова-
тельно, 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 в невозбужденном, т. е. А//* < \Н (ср. рис. 19). Есте-
ственно, те же самые принципы применимы и при обратном со-
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 погашения кислой (81) и основной (е[) форм
при короткой длине волны возбуждения и коэффициент пога-
шения основной формы (80 при длинной волне возбуждения.
в) Скорость установления равновесия в возбужденном со-
стоянии по сравнению со временем жизни возбужденной ча-
стицы.
г) Эффективность флуоресценции кислой (<р0) и основной
(Фо) Ф°РМ-
Мы используем эффективности флуоресценции и времена
жизни, которые получаются в сильнокислых или в сильнощелоч-
ных растворах, где испускает только одна форма; их можно вы-
разить так (см. раздел II, Б, 2):
Фо = kf/(kf + kg + kn) = kfr. (341)
Для разбавленных растворов регистрируемая интенсивность
флуоресценции в отсутствие диссоциации или ассоциации в воз-
бужденном состоянии может быть записана в следующем виде
[см. уравнение (21)]:
F = wIq8^qC, (342)
где w — постоянная прибора. Мы предположим, что интенсив-
ность возбуждающего света /0 одинакова для всех кривых на
рис. 120, а константа w равна 1//0£.
Верхняя часть (Л) рис. 120 относится к возбуждению в длин-
новолновой полосе R" (коэффициент погашения 80, где RH не
поглощает. Выше было указано, что в этих условиях испускается
только флуоресценция (R")*, интенсивность которой равна
/Фое2’ где f'— доля молекул вещества, существующих в виде
R". Следовательно, кривая интенсивности флуоресценции повто-
ряет обычную кривую зависимости концентрации от pH; она
320
ГЛАВА IV
имеет перегиб при pH, равном рК, и максимум, равный ф'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 поглощаются
обеими формами. Предполагается, что в случае Б равновесие в
возбужденном состоянии успевает полностью установиться до то-
го, как произойдет испускание флуоресценции. Перегиб кривой 2
при pH = рК просто отражает факт изменения оптической плот-
ности раствора, когда R" переходит в RH. Поскольку (RH)*npn
этом pH диссоциирует полностью, то наблюдается только флуо-
ресценция (R~)*, и в случае полной конверсии R в RH Интенсив-
ность этой флуоресценции равна ф'8р Когда pH уменьшается
до значений^ близких к рК*, наблюдается дальнейшее ослабле-
ние флуоресценции (R-)* и соответствующее усиление флуо_рес-^
ценции (RH)* ^кривая" 3), причем обе кривые имеют перегиб
при pH = рК*. Если соединение имеет высокое значение рК*,
то очевидно, что эти перегибы будут сдвинуты в правую часть
рис. 120,5, а при рК* = рК горизонтальный участок кривой 2
исчезает. Отметим, что значения pH, при которых одновременно
может наблюдаться флуоресценция обеих форм, ограничены ин-
тервалом приблизительно в ±2 единицы pH с центром при
рН = рК*. '
Рис. 120, В относится к тому случаю, когда перед испуска-
нием флуоресценции равновесие в возбужденном состоянии не
успевает установиться полностью. Кривые рассчитаны для си-
стемы, в которой при pH 6 диссоциирует доля молекул (RH)*,
равная 0,5. Перегибы в правых частях кривых 4 и 5 располо-
жены при pH, точно равных рК, но перегибы в их левых частях
лежат при pH немного меньше рК*. Важной особенностью яв-
ляется центральный участок, где интенсивности, флуоресценции
обеих форм остаются приблизительно постоянными.
~ Очевидно также, что интервал значений рН^'в котором одно-
временно наблюдается флуоресценция обеих форм, простирается
от значений, несколько больше рК, до значений, несколько
меньше рК*, и такой широкий интервал pH типичен для си-
стем, в которых протолитическое равновесие в электронно-воз-
бужденном состоянии не устанавливается. Высоты горизонталь-
ных участков равны хф^ и (1—х)ф081, где х— доля молекул
(RH)*, диссоциирующих при средних pH. Разумеется, если х
увеличивается, то высоты горизонтальных участков кривых 4 и
5 соответственно увеличиваются и уменьшаются, и в конце кон*
цов случай В становится идентичным случаю Б.
СПЕЦИАЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ И ПРИМЕНЕНИЕ
321
4. Влияние добавленного буфера
В общем случае раствор содержит, кроме Н2О и Н3О+ (или
ОН"), по крайней мере еще одну кислоту или основание.
Присутствие других кислот или оснований влияет на равновеснее
концентрации (R“) * и (RH) * только в той мере, в какой оно из-
меняет pH и коэффициенты активности. Однако присутствие дру-
гих кислот и оснований может существенно изменить скорости
реакций и, следовательно, интенсивности флуоресценции (R-)* и
(RH)*, если испускание происходит до того, как установилось
равновесие. Кинетика протолитических реакций в электронно-
возбужденном состоянии была разработана Веллером [244, 245],
и ниже мы будем следовать его методу.
Рассмотрим водный раствор флуоресцирующей кислоты RH
и сопряженного ей основания R-, содержащий, кроме того, бу-
ферную кислоту НВ и ее сопряженное основание В-. Различные
протолитические реакции, в которых могут участвовать возбу-
жденные состояния (RH)* и (R")*, можно представить следую-
щей схемой:
(RH)’ + Н2О ==± (R-)’ + Н3О+, (343)
fe2 [н8о+]
_ *ь 1в~]
(RH)’ + В 5==± (R У + НВ, (344)
(RH)’ RH + hv, (345)
(RH)’-^>RH, (346)
(R’r-^R’ + Av', (347)
(R-)* -4 R-. (348)
Пусть <p и <p' будут эффективности испускания флуоресценции
(RH)* и (R-)* при произвольном pH, а ф0 и ф'— те же вели-
чины в сильнокислом и в сильнощелочном растворах соответ-
ственно, т. е. в таких условиях, когда наблюдается испускание
только одной формы. Тогда
Фо = kf/(kf + k0) = kfr, (349)
Фо — kf/(k'f + k'o) = k'fr'. (350)
Предположим далее, что рК* < рК (аналогично рис. 119 и 120),
так что при любом pH меньше рК минус 2 в растворе присут-
322
ГЛАВА IV
ствует только RH. Из условия стационарности для (RH)* и (R~)*
и формул (349) и (350) нетрудно получить
ф __ 1 {3511
Фо 1 + Т (*i + kb [в-] )/{1 + / (k2 [н3О+] + ka [НВ])} ' ’
И
_5L —____________________!___________________ (352)
<₽' 1 + {1 +т'(Л2[Н3О+] + *а IHB] )}/т(*![В”]) ’
Очевидно также, что
ф/фо + ф7фо= 1- (353)
Следовательно, зависимость интенсивности флуоресценции от
pH будет иметь тот же вид, что и на рис. 120.
Веллер использовал эти уравнения при исследовании 0-на-
фтола в формиатном, ацетатном, пропионатном и бутиратном бу-
ферах при различных температурах. Он взял буферное отноше-
ние [В_]/[НВ], равное 10, и концентрации [НВ] 1,5-10~3 М. При
этих условиях значениями т%[Н3О+] и r'&JHB] можно прене-
бречь, так как они малы по сравнению с единицей, и уравнения
(351) и (352) принимают вид
Фо/ф —1=1^, + xkb [В"] = ——Г • (354)
Фо/Ф ~ 1
В терминах рис. 120 уравнение (354) означает, что, когда полная
скорость диссоциации (RH)* мала, т. е. когда (kx + &&[В“]) ->0,
Ф ->Фо и система ведет себя так, как если бы рК* было равно рК.
Если (ki 4- МВ~]) °°, система ведет себя так, как показано
на рис. 120, Б, а при промежуточных значениях (&14-МВ~])>
как на рис. 120, В. Если последний тип поведения наблюдается
при малой концентрации буфера (т. е. при промежуточных зна-
чениях &i), 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 Веллером в растворах 0-нафтола. Графики зависимости ве-
личины (фо/<р—1) от [В~] при значениях pH, промежуточных
между рК и рК*> были линейными, и по наклонам прямых и не-
зависимо измеренным временам жизни т Веллер смог опреде-
лить значения kb. Для разных буферов эти значения различа-
лись сравнительно мало (lg kb изменялся от 9,16 до 9,27 при
25°С), но были значительно ниже максимально возможных зна-
чений, рассчитанных по коэффициентам диффузии. Веллер объ-
яснил это существованием стерического множителя, величина
которого находится между 0,14 и 0,21.
Нужно отметить, что в вышеприведенных рассуждениях пред-
полагалось, что в электронно-возбужденном состоянии стацио*
СПЕЦИАЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ И ПРИМЕНЕНИЕ
323
парное 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 еле-
дующем разделе.
5. Реакция в отсутствие буфера
Веллер [246] исследовал 0-нафтол при малых pH в раство-
рах, где концентрация водородных ионов регулировалась только
добавлением хлорной кислоты. В отсутствие буфера формула
(351) принимает следующий вид:
> .1 , = Ц- + , (355)
<р0/<р —1 х(К) '
где
(/<')* = ^1/^2 = (356)
f— средний коэффициент активности, а /С* — термодинамиче-
ская константа равновесия в возбужденном состоянии. Веллер
обнаружил, что при высоких кислотностях наблюдаются откло-
нения от линейности между 1/(фо/ф—1) и f2[H3O+], обусловлен-
ные тем, что уравнение (355) выполняется строго только тогда,
когда устанавливается стационарное состояние. Введя соответ-
ствующие поправки на переходные процессы, он получил удовле-
творительную линейность графиков, из которых рассчитал т&1 и
т'/тК*, а затем k2 и К*. Из зависимости величины К* от тем-
пературы Веллер вычислил ДЯ* и AS*. Значение k2 показало, что
реакция между (R“)* и Н3О+ лимитируется диффузией, а стери-
ческий множитель составляет около 0,7. Веллер предположил,
что протолитическая реакция протекает через стадию образо-
вания и распада промежуточного комплекса:
(NpOH)’ + H2O^[(NpO")* • H3O+]^(NpO~y + Н3О+. (357)
6. Связь между величиной (рК — рК*)
и химическим строением
До сих пор мы рассматривали главным образом такие си-
стемы, в которых при возбуждении увеличивается кислотность,
т. е. рК > рК*. Отчасти это было сделано для удобства, а от-
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 основность. Действительно, в то
время как все до сих пор исследованные фенолы и ароматиче-
ские амины имеют рК* меньше рК, ароматические карбоновые
324
ГЛАВА IV
кислоты и ароматические кетоны в результате возбуждения по-
вышают свою основность, т. е. для их протонированных форм
рК < рК*. Например, невозбужденная р-нафтойная кислота
присоединяет протон только в растворах чрезвычайно высокой
кислотности: значение рК равновесия
//°
Np-СГ +H+^Np-C
Х)Н хон
,//он
(358)
составляет —6,9, значение же рК*, определенное по точке изме-
нения спектра флуоресценции, близко к нулю. Хотя для многих
систем изменения рК очень велики и могут достигать ±6 еди-
ниц (см. табл. 38), это не всегда так. Например, у пиридина
рК ~ рК*, несмотря на то что у близкого по строению основа-
ния акридина разность (рК — рК*) составляет —5,2. По Вел-
леру [243], это различие можно объяснить тем, что у акридина
нижним возбужденным синглетом является состояние Lb, а у
пиридина — La, и при протонировании первое сильно сдвигается
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 акридиния флуоресцируют соответственно в синей и зеле-
ной области. Однако, как и в случае 0-нафтола, равновесие пол-
ностью не устанавливается, и даже при pH 8 (т. е. на 4,65 еди-
ницы ниже рК*) растворы акридина с низкой концентрацией
буфера испускают главным образом синюю флуоресценцию сво-
бодного основания, поскольку реакция
(А)* + Н2О -> (АН+)‘ + ОН- (359)
доходит перед испусканием флуоресценции лишь до незначи-
тельной глубины превращения. С увеличением концентрации ам-
миачного буфера доля зеленой флуоресценции акридиния воз-
растает благодаря дополнительной реакции
(А)‘ + NH4+ -+ (ДН+)‘ + NH3. (360)
В принципе кинетический анализ этой системы в щелочном рас-
творе можно провести точно так же, как это было описано выше
для р-нафтола в кислом растворе, используя вместо уравнений
(343) и (344) следующие равновесия:
(а*) + н2о==±(дн+)Чон", (361)
[ОН ]
СПЕЦИАЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ И ПРИМЕНЕНИЕ
325
(Л)’ ч- NH4+ (ЛН+)‘ + NH3. (362)
Получающиеся общие уравнения подобны формулам (351) и
(352). Измерив в щелочном растворе без буфера величины
ф/ф0 и ф7фр Веллер определил константы скорости k3 и а за-
тем и рК*. Проведя при pH 8,3 опыты при разных концентра-
циях аммоний-аммиачного буфера, он рассчитал значения
константы скорости ka.
В обзорной статье Веллер [241] приводит различные кинети-
ческие и термодинамические параметры быстрых кислотно-ос-
новных реакций и обсуждает эти процессы вместе с другими
быстрыми реакциями электронно-возбужденных молекул.
7. Изомеризация в электронно-возбужденном состоянии
Тот факт, что фенольная группа 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 груп-
пы, расположенные в орто-положении друг к другу. Веллер [247]
установил, что хотя максимумы длинноволновой полосы погло-
щения салициловой кислоты (I) и о-метоксибензойной кислоты
(II) отличаются лишь на ~0,1 мкм-1, максимумы их полос
флуоресценции отличаются на 0,5 мкм-1: кислота флуоресцирует
в синей области при 2,3 мкм-1, а простой эфир — в ультрафиоле-
товой при 2,8 мкм-1.
Он предположил, что большой стоксов сдвиг в салициловой кис-
лоте обусловлен внутримолекулярным переносом протона в воз-
бужденном состоянии:
Б
(363)
Таким образом, спектр поглощения (максимум при 3,3 мкм-1)
соответствует форме А, а спектр флуоресценции (максимум при
326
ГЛАВА IV
2,3 мкм"1) — форме Б. Точно так же ведет себя метиловый слож-
ный эфир (III), однако о-метоксибензойный эфир (IV), подобна
о-метоксибензойной кислоте, имеет обычный стоксов сдвиг.
В углеводородных растворах салицилового эфира (III), кро-
ме интенсивного синего 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 следующего протолити-
ческого равновесия:
(364)
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 углеводородных растворителях зависи-
мость отношения интенсивностей двух полос от температуры, он
получил, что А//* = —1,0 ккал/моль, а приняв во внимание спек-
тральный сдвиг, нашел, что А// = 13,5 ккал/моль. Вследствие
дипольного характера формы Б можно ожидать, что в полярных
растворителях величина А//* будет даже более отрицательной,
и, вероятно, именно поэтому коротковолновая компонента флуо-
ресценции соединений I и III не наблюдается ни в спиртовых,
ни в эфирных растворителях.
Аномально высокие стоксовы сдвиги, обусловленные процес-
сом (363), идущим в электронно-возбужденном состоянии, дол-
жны наблюдаться для всех соединений, которые содержат в ор-
то-положении друг ж другу такие группы, одна из которых
становится при возбуждении сильнокислой, а другая — сильно-
основной.
8. Протолитическое равновесие в триплетном состоянии
Оба метода определения рК* синглет-возбужденного состоя-
ния в принципе можно использовать и для определения рКт,
т. е. значений, отвечающих триплетному состоянию, если при
этом регистрировать спектры Т\—50-фосфоресценции двух
форм. В жидком растворе при комнатной температуре интен-
сивность фосфоресценции почти всегда очень мала, и поэтому
для изучения ионизации триплетного состояния ее пока не ис-
пользовали. Чтобы применить спектроскопический метод [уран-
СПЕЦИАЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ И ПРИМЕНЕНИЕ
32'7
нение (339)], энергии триплетных состояний можно определить
из спектров фосфоресценции, если измерить их при низкой тем-
пературе в твердых кислотных или щелочных растворителях,
т. е. в условиях, где фосфоресценция интенсивна и легко изме-
ряется. Чтобы измерить рКт прямым методом, можно при по-
мощи импульсной абсорбционной спектроскопии сравнить кон-
центрации двух форм в жидком растворе при различных pH.
Оба эти метода были использованы Джексоном и Портером [227],
которые исследовали некоторые нафтолы, нафтиламины, наф-
тойные кислоты и гетероциклические амины (табл. 39). Они уста-
новили, что значения рКт находятся между рК и рК*, но, как
правило, гораздо ближе к первым.
Таблица 39
Константы диссоциации кислот в триплетном
и синглетном состояниях [227]
Соединение РК рК* рКГ
метод импульс- ной абсорб- ционной спектро- скопии метод фосфорес- ценции
;Р-Нафтол 9,5 3,1 8,1 7,7
р-Нафтойная кислота 4,2 10—12 4,0 4,2
а-Нафтойная кислота 3,7 10—12 3,8 4,6
iP-Нафтиламин 4,1 -2 3,3 3,1
№,М-Диметил-а-нафтил- 4,9 — 2,7 2,9
амин
Акридин 5,5 10,6 5,6 —-
Хинолин 5,1 — 6,0 5,8
Г. ВОЗБУЖДЕННЫЕ ДИМЕРЫ И БЫСТРАЯ ФЛУОРЕСЦЕНЦИЯ
1. Типы димеров
Ассоциация молекул растворенного вещества в общем случае
приводит к образованию полимерных комплексов, содержащих
Две мономерные молекулы или более (рассматривается ассоциа-
ция без участия первичных валентностей). Мы ограничимся об-
суждением только димерных комплексов. Устойчивость димера
зависит от его свободной энергии образования, которая в свою
°чередь определяется главным образом теплотой образования
(энтальпией) Д/7. С фотохимической точки зрения следует раз-
личать несколько типов димеров. Первый из них может
328
ГЛАВА IV
получаться путем обратимого соединения двух невозбужденных
молекул:
А + 4#(ДД). (365)
Димеры этого типа хорошо известны; в частности, они ответ-
ственны за изменения формы спектра поглощения многих краси-
телей при их высоких концентрациях в растворе. Такие димеры
часто являются нефлуоресцирующими. При их возбуждении по-
лучаются возбужденные димеры (ДЛ)*, которые можно рассма-
тривать как комбинацию возбужденного мономера и молекулы
в основном состоянии, т. е. как А*А. Если теплота образования
возбужденного димера {—ДН*) гораздо меньше /?Т, то возбу-
жденный димер будет быстро диссоциировать:
Д*Д->Д* + Д. (366)
Если же теплота —ДЯ* достаточно велика и возбужденный ди-
мер устойчив, то можно представить себе еще один путь образо-
вания димера — процесс, обратный реакции (366), в котором
сначала возбуждается мономер и уже после этого происходит
его реакция с невозбужденной молекулой:
’Д М‘, (367)
1Д‘ + 1Д-*Д*Д. (368)
Процесс (368) имеет особенно большое значение, если величина
—ДЯ 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 второго типа. Многие
исследователи называют такие димеры «эксимерами», (см. раз-
дел I, В, 5), чтобы отличить их от димеров первого типа, у кото-
рых основное состояние устойчиво. Хотя термин «эксимер» пер-
воначального был введен для обозначения гипотетических
«долгоживущих возбужденных димеров», следует иметь в виду,
что сейчас он относится к димерным частицам, имеющим корот-
кие времена жизни, характерные для синглетных состояний.
В дальнейшем мы будем иметь дело главным образом с «эк-
симерами», хотя нам встретится и еще один, третий тип диме-
ров, а именно фотодимеры. Они получаются в основном состоя-
нии, когда взаимодействие между А* и А приводит к «необра-
тимому» химическому превращению, при котором образуются
новые ковалентные связи. Наиболее известным примером яв-
ляется диантрацен, получаемый при облучении концентрирован-
СПЕЦИАЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ И ПРИМЕНЕНИЕ
329
ных растворов антрацена. Его структура показана на рис. 121, а.
Образование фотодимеров очень легко отличить эксперимен-
тально от образования возбужденных димеров первого и вто-
рого типов, поскольку онр сопровождается постепенным потреб’
Рис. 121. Предполагаемые молекулярные структуры диантрацена (а), а- и
p-изомеров динафтацена (б) и дипентацена (в) [248].
лением мономера в процессе облучения раствора. Итак, воз-
можно образование трех типов димеров:
А + А (ЛЛ) (44)* (обычные димеры), (369)
А + А А* + А -> (АА)* (эксимеры), (370)
А + А —+ А* + А -> А2 (фотодимеры). (371)
2. Устойчивость возбужденных димеров
Рассмотрим раствор соединения, которое дает димер, устой-
чивый только в электронно-возбужденном состоянии. Допустим,
что излучательные переходы происходят из синглет-возбужден-
ных состояний как мономера (4*), так и димера (4г). Эти пере-
ходы дадут две полосы, характерные для двух указанных форм.
Эту систему можно представить схемой, показанной на рис. 122
[249]. Верхняя часть рисунка — зависимость потенциальной
энергии возбужденной и невозбужденной систем (4*-f-4 и
Л 4-4) от расстояния между мономерами — компонентами ди-
мера. Минимум верхней кривой —\НА соответствует положи-
тельной теплоте образования возбужденного димера (энергии
связи эксимера). Нижняя кривая круто идет вверх, и значение
—А// на расстоянии, равном равновесному расстоянию в возбу-
жденном димере (Ед на рис. 122), отрицательно и велико по аб-
солютной величине. Очевидно, что между двумя компонентами
невозбужденного «димера» существует сильное отталкивание, и
поэтому он будет при всех температурах немедленно распа-
даться.
330
ГЛАВА IV
Из рис. 122 следует, что кванты, испускаемые мономером при:
его излучательном переходе в основное состояние (Av^), должны:
иметь большую энергию, чем кванты, отвечающие испусканию^
димеров (Avp). Испускание мономера будет иметь обычную ко-
лебательную структуру, типичную для большинства ароматиче-
ских углеводородов; на рис. 122 это схематично показано в виде
переходов на разные колебательные уровни основного состоя-
Рис. 122. Диаграмма потенциальной
энергии димера в основном и электронно-
возбужденном состояниях [249].
ния, соответствующих раз-
личным максимумам в.
спектре испускания флуо-
ресценции мономера (внизу
справа). Излучательные пе-
реходы в димере про-
исходят ^а кривую отталки-
вания и поэтому дают
сплошной спектр испускания
в виде широкой бесструк-
турной полосы с максиму-
мом, соответствующим Avp>
причем выполняется следую-
щее соотношение:
(372)
3. Возбужденный
димер пирена
Замечательным приме-
ром эксимерной флуорес-
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,
где кривая 4 относится к более поздним измерениям в эта-
ноле), однако с увеличением концентрации эта флуоресцен-
ция постепенно ослабляется, но в области больших длин волн
[появляется новая бесструктурная полоса испускания (см. кри-
вые 3, 2 и 1 на рис. 131). При этом не наблюдается никаких из-
менений спектра поглощения и даже наиболее концентрирован-
ные растворы продолжают подчиняться закону Бера. Отсюда
следует, что изменения спектра флуоресценции не связаны с ас-
социациеи'Тлолёкул пиренй’до возбуждения. Этот вывод Фёрстер
и Каспер подтвердили измерениями точки замерзания раствора,
после чего приписали изменения спектра флуоресценции обра-
зованию эксимера [процесс (370)], а не возбуждению предвари-
СПЕЦИАЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ И ПРИМЕНЕНИЕ
331
тельно получившихся димеров [процесс (369)]. В результате этой
и более поздней работы Фёрстер и сотр. [251, 252] установили
все главные особенности явления и предложили следующую
схему:
А* + А (АА)*
A + hv A (AA) + hv' (АА), (373)
А -|- А
в которой предполагается, что в результате облучения раствора
светом устанавливается фотостационарное состояние, причем в
растворе одновременно присутствуют и испытывают излучатель-
ные и безызлучательные переходы и возбужденный мономер и
возбужденный димер, а в конечном итоге образуются молекулы
мономера в основном состоянии.
Мы запишем процессы, включенные в схему (373), вместе
с соответствующими константами скорости, введенными в гл. И,
и на этой основе обсудим экспериментальные результаты Фёр-
стера и других авторов. Итак, мы имеем:
А—+А*
A*-+AA-hv'
А*^А
А*-+3А
А’ + А->А^
А?^А' + А
Аг -> А + А + hv"
А^-*А +А
Скорость —I a, (374)
= ^[A*], (375)
(376)
= MA’L (377)
= *аИ][А], (378)
— kd [Аг], (379)
— kf [Аг], (380)
= kn [Аг]. (381)
Решив уравнения стационарного состояния (см. раздел II, Б, 1)
и введя полную концентрацию растворенного вещества с, по-
лучаем следующую формулу:
Фр ____fy [Аг]___________kfkAc_______ „
Фм kf [A*] fy(*f + *n + M 1
где <pD и <рл — эффективности флуоресценции димера и
мера при концентрации с. Кроме того,
(382)
MOHO-
+м _ । . kA
Фд< . kf + kn + kg .
kf + k'n + kd
1 "b ^ATM 0 ^dXo) C’
(383)
332
ГЛАВА IV
где <р°м и — эффективность и время жизни флуоресценции
возбужденного мономера, а то — время жизни димера при бес-
конечном разведении. Таким образом, формула (383) требует,
чтобы тушение мономера подчинялось уравнению Штерна —
Фольмера (см. раздел II, Б, 2). Аналогичное уравнение можно
написать и для эффективности флуоресценции димера:
„оо 1
— 1 _]___________!_________,
Фо йАтм(1 ~ Vd)c
(384)
где фр —максимальная эффективность флуоресценции димера,
т. е. ее значение при бесконечно высокой концентрации.
Рис. 123. Зависимость спектра флуоресценции пирена от его концентра-
ции [252].
Растворитель — смесь к-октилового и ««додецилового спиртов. О относительный кван-
товый выход фиолетовой флуоресценции; ф то же для синей флуоресценции. Кривые
рассчитаны теоретически при с^=3,4*10"“3 М.
Формулы (383) и (384) можно записать в форме, впервые ис-
пользованной Фёрстером и Каспером, а именно
фм ~ фм [ 1 + c/ch
и
— фо[ 1 +cA/c]t
(385)
(386)
где —«полуконцентрация», т. е. концентрация, при которой
флуоресценция мономера потушена на 50%, а эффективность
флуоресценции димера достигает половины своего максималь-
СПЕЦИАЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ И ПРИМЕНЕНИЕ
333
ного значения, получающегося в высококонцентрированных
растворах.
Фёрстер и сотр. [40, 251, 252] показали, что флуоресценция
пирена в различных растворителях хорошо согласуется с фор-
мулами (385) и (386). Так, например, типичный график, приве-
денный на рис. 123, показывает, что интенсивности флуоресцен-
ции мономера и димера достигают своих половинных значений
при одной и той же концентрации, которую, очевидно, можно
выразить следующим уравнением:
(387)
Если ассоциация [реакция (378)].контролируется диффузией, то
величина l/kA должна быть пропорциональна вязкости и, сле-
довательно, концентрация также должна резко зависеть от
вязкости. То, что это действительно так, было показано и Фёр-
стером с сотрудниками и другими авторами. Значения kA ока-
зались близкими к диффузионным константам скорости (см.
ниже).
4. Время жизни мономера и возбужденного димера пирена
Прямые измерения времен жизни флуоресценции мономера
i при помощи импульсного и фазо-
и эксимера были проведены
вого флуорометров [192].
Кривые, полученные на им-
пульсной установке, можно
рассматривать как графиче-
ское подтверждение уже об-
суждавшегося процесса об-
разования эксимера. На
рис. 124 кривая р (t) харак-
теризует продолжительность
светового импульса. Флуо-
ресценция мономера [кривая
/м (/)], как это и следует
из уравнений (375)—(378),
непрерывно затухает сразу
Е
§
§
I
I
5
!
t,HC
же по окончании свето-
вого импульса. На началь-
ных стадиях этого затуха-
ния флуоресценция эксиме-
ра [кривая fa (/)] растет, до-
Рис. 124. Кинетика флуоресценции моно-
мера (0] и эксимера [(о (/)] пирена
(5-Ю-3 М) после возбуждения им-
пульсом света [р (/)] [192].
стигает максимума значи-
тельно позже, чем заканчивается световой импульс, и, наконец,
спадает. Таким образом, кривая fD (/) отражает образование
димеров [процесс (378), конкурирующий с процессами (379) —
334
ГЛАВА IV
(381)] и их последующее исчезновение в реакциях (379) — (381).
Из данных по временам жизни и эффективностям флуоресцен-
ции Бирке и сотр. [192] смогли определить константы скорости
всех процессов (375) —(381) (вместо kg и kn была получена их
сумма). Излучательные времена жизни мономера и димера ока-
зались равными 6,8-10~7 и 0,9-10-7с, а образование эксимера —
процессом, контролируемым диффузией с константой kA, вычис-
ляемой по уравнению (80).
5. Термодинамические параметры возбужденных
димеров
ИЗО
0,25
0,15
§ 0,20
W0 200 300
t,°C
Рис. 125. Зависимость от температуры
квантового выхода испускания пирена
в жидком парафине (5* Ю~3 Af) [252].
О мономерная компонента, 0 димерная ком-
понента.
™>о
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, где образованием диме-
рбв можно пренебречь, эф-
фективность 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 того,
чтобы наблюдалась флуоре-
сценция и мономеров и ди-
меров. При повышении тем-
пературы квантовый выход
флуоресценции мономера
сначала резко падает, а
выход флуоресценции диме-
ра сначала
стижении
снижаться
начинает
квантовый
растет, но по до-
800 С начинает
и одновременно
• увеличиваться
* выход мономера. Это увеличение обусловлено
термической диссоциацией димера при повышенной температуре
и соответствующим обратным образованием мономера. Такое
увеличение испускания мономера при высокой температуре за-
метно еще лучше, если взят раствор более высокой концентра-
ции (на рис. 125 не показано)г
СПЕЦИАЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ И ПРИМЕНЕНИЕ
335
Для количественной интерпретации явления Дёллер и Фёр-
стер предположили, что процессы (376) —(379) и (381) имеют
определенные энергии активации, и, следовательно, их кон-
станты скорости можно записать так:
k = N ехр(—E/RT). (388)
Излучательные процессы от температуры не зависят, константы
скорости kf и k' постоянны. Дёллер и Фёрстер показали, что
если построить графики зависимости логарифмов величин
(1«,- ') (1/ФК-1) и ch от обратной температуры, то по их
наклонам можно определить значения четырех энергий актива-
ции. В частности, они нашли, что
ЕА — 6,5 ± 1 ккал/моль, (389)
Ed — 17,5 ± 1 ккал/моль, (390)
и, следовательно, теплота образования димера
АД* = Еа — Ed = — 11,0 ккал/моль. (391)
Далее, поскольку константа равновесия образования димера (/<*)
равна kAlkd и
— AG = IJT In/С = — А/7* + Т AS’, (392)
то
Д5’ = Я1п(АСда, (393)
где AS* — энтропия образования возбужденного димера, a NA
и Na — не зависящие от температуры множители, которые вхо-
дят в уравнение (388) и могут быть найдены из отсечений упо-
мянутых выше графиков. С помощью уравнения (393) Дёллер
и Фёрстер нашли, что AS* = —20кал/(моль-град).
Бирке и сотр. [253] измерили в разных растворителях теп-
лоту образования (—ДЯ*) димера пирена. В их методе ис-
пользуются только спектроскопические данные. На рис. 126
показаны зависимости величины 1£(фо/фм) 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 £') и, сле-
довательно, получить из формулы (382)
Фо/Фм -* kAclkf -> (NAc/kf) exp (— EA/RT). (394)
Рассчитанные этим способом значения ЕА оказались в близком
соответствии с энергией активации (Ес) диффузионной кон-
станты скорости
k( = 8/?Т/3000т) = Nc exp (- EJRT), (395)
336
ГЛАВА IV
подтвердив, таким образом, что образование эксимера контро-
лируется диффузией. При высоких температурах kd становится
большим по сравнению с и 4', ив этом случае уравнение
(382) преобразуется в
— ехр д (396)
Фм kfkd \ kf^d '
Значения —А//*, полученные из высокотемпературных участков
рис. 126, в пределах погрешности опыта не зависели от природы
Тем пера тура, °C
Ю4/Т
Рис. 126. Отношение испускания димера к испусканию мономера в спектре
флуоресценции 10~3 М растворов пирена в бутаноле (/), этаноле (2), толу-
оле (5) и гексане (4) при различных температурах [253].
растворителя. Чтобы определить значение —А//* более точно,
Бирке и сотрудники использовали как спектроскопические дан-
ные для трех растворителей (этанол, ацетон, циклогексан), так
и данные о временах жизни. Среднее значение оказалось рав-
ным 0,32 мкм-1.
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-
СПЕЦИАЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ И ПРИМЕНЕНИЕ
337
тур,где
+ ^п)>
(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
Рис. 127. Неисправленные спектры флуоресценции 0,5 М раствора 1-фтор
нафталина в толуоле при различных температурах [249].
/ — 51° С; 2 —40° С; 3 —33° С; 4 —25° С; 5 —19° С; 6 —8° С; 7 —4° С; 8 +7° С; 9 +22° С.
разных значениях некоторой переменной (например, темпера-
туры), будут иметь изобестическую точку (см., например,
рис. 127). Указанное свойство, а также факт линейной зависи-
мости величины 1g(срв/фм) от обратной температуры Стивенс
и Бэн использовали для определения того интервала темпера-
тур, в котором выполняется условие (397). Для этого интервала
уравнение (382) можно записать в следующем виде:
1пГ-^А
„ Фм kfc.
1п/<л
&S'
~Ю’
(398)
338
ГЛАВА IV
где константа равновесия фотоассоциации Ял равна kA/kd.
Они установили, что уравнение (398) можно записать в виде
In
’А'
А-
AS’ ДЯ*
~R RT '
(399)
где flD и flM — интенсивности испускания димера и мономера
в изобестической точке, рассчитанные по интенсивностям ис-
пускания при тех длинах волн, где флуоресцирует только моно-
мер или только димер. Полученные этим методом значения Д$*
и —ДЯ* приведены в табл. 40.
Таблица 40
Энтальпии и энтропии фотоассоциации [249]
Соединение Интервал температур, °C дз*, кал/(моль-град) -АЯ* ккал
Пирен 60-85 — 18,5 ±2,0 9,5 ±1,0
1,2-Бензантра- цен От —24 до —8 — 17,4 ±2,0 6,0 ±0,5
2-Метилнафта- лин От —69 до 0 —21,0 ±2,0 5,8 ±0,5
1-Фторнафта- лин От —51 до 22 —21,8 ±2,0 5,8±0,6
Аценафтен От -70 до —39 — 19,0 ±2,5 4,9±0,7
Стивенс и Бэн отмечают, что преимущество метода состоит
в том, что значения AS* и —А//* получаются непосредственно
из неисправленных записей спектров испускания при разных
температурах и при этом не нужны независимые измерения вре-
мен жизни, определения интегральных спектральных интенсив.-
ностей и поправки на чувствительность детектора и реабсорб-
цию флуоресценции.
6. Возбужденные димеры других соединений
До того 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
ТДКЗ<е 3-сульфоната и 3,5,8,10-тетрасульфоната пирена. Затем
СПЕЦИАЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ И ПРИМЕНЕНИЕ
ззэ
образование димеров было исследовано [256, 257] в концентри-
рованных растворах нафталина, испускание эксимера которого
сильно возрастало при понижении температуры. С тех пор было
опубликовано много работ, в частности Бирксом и его 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.
Таблица 41
Образование димеров
Соединение Эксимер (Э) или фотодимер (ФД) Литература
Пирен Э См. текст
Производные пирена э 255, 258
Нафталин и его алкилпроизводные э 256, 257,
259-261
1, 2-Бензантрацен и его алкилпроиз- э 262, 263
водные
1, 2,3, 4-Дибензантрацен э 263
Бенз-(а)-пирен э 254, 258
1, 2-Бензпирен э 258
1,2, 4, 5-Дибензпирен э 258
Антантрен э 263
Перилен Э (сл.) 263
1,12-Бензперилен э 263
2, 5-Дифенилоксазол э 263
Бензол э 264, 265
Толуол э 264, 265
п-Ксилол Э (сл.) 265
Мезитилен э 265
Антрацен ФД 266
Нафтацен ФД 248
Пентацен ФД 248
2-Метилантрацен ФД 267
9-Метилантрацен э, ФД 268, 269
9, 10-Диметилантрацен э 269
9, 10-Дифенилантрацен — 270
Другие исследованные — 263
Испускание эксимеров многих соединений малоинтенсивно
и наблюдается только в очень концентрированных растворах
или в чистых жидкостях. Чтобы обнаружить слабую полосу эк-
симера, Бирке и сотрудники нормализуют спектры испускания
340
ГЛАВА IV
растворов разных концентраций по интенсивности такой полосы
мономера, которая не подвержена самопоглощению и находится
вне области испускания димера (рис. 128). Спектр димера по-
лучается вычитанием спектра наиболее разбавленного раствора
(в котором образование димера незначительно) из спектра наи-
более концентрированного раствора.
Рис. 128. Метод получения спектра флуоресценции возбужденного димера
1,2-бензантрацена [262].
Концентрации: А-10-2 М; В-5,5-10-3 М; Д-10~3 М; Ж-10~* М.
До сих пор мы рассматривали ассоциацию возбужденного
синглетного мономера с невозбужденной молекулой того же са-
мого вещества. Бирке и Христофору [271] показали, что возбуж-
денный мономер может присоединяться и к невозбужденной
молекуле другого соединения:
Д* + В#(ЛВ)‘. (400)
Флуоресценция «смешанных» эксимеров (АВ)* наблюдалась
в тех случаях, когда энергии нижних синглет-возбужденных со-
стояний молекул А и В были одинаковы (например, пирен и
СПЕЦИАЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ И ПРИМЕНЕНИЕ
341
3,4-бензфенантрен). Недавно Бирке предложил называть такие
возбужденные комплексы «эксиплексами» *.
7. Факторы, влияющие на образование возбужденных
димеров
Из двух нижних возбужденных синглетных состояний арома-
тических молекул — xLa и xLb (в обозначениях Плятта [272]) —
первое имеет большую вероятность перехода из основного со-
стояния (1g 8 «3,5—5,0), чем последнее (lge«2,4—3,4). По-
этому излучательное время жизни будет сильно зависеть от
того, какое из упомянутых состояний имеет более низкую энер-
гию. Поскольку обвазов^ие^^ксим-ер-а, контроли^уется.диффу-
зией и конкурирует с испусканием, флуоресценции, мономера,
ему будут благоприятстводахь_больщце жизни возбуж-^
денного мономера, т. е. такое расположение уровней, когда
нижним является уровень ^^Действительно, для большинства
соединений, испускающих димерную флуоресценцию, характер-
но именно такое расположение синглет-возбужденных уровней
(см., например, рис. 129).
Стабилизацию возбужденного димера можно объяснить
двояко [263J. Первое объяснение состоит в том, что взаимодей-
ствие систем электронов возбужденного и невозбужденного мо-
номеров в комплексе А*А приводит к расщеплению энергетиче-
ских уровней состояний xLa и xLb. Уровень xLb расщепляется го-
раздо меньше, чем уровень !La (рис. 130), и поэтому нижним
возбужденным состоянием димера становится состояние типа
^а, а его энергия получается меньше, чем у мономера. Во вто-
ром объяснении предполагается перенос электрона между мо-
номерами (Л+Л~) и квантовомеханическое смешивание состоя-
ний АА* и А+А~. При этом для того, чтобы образовался димер,
результирующее состояние димера должно лежать ниже, чем
^ь-состояние мономера. Такая теория хорошо объясняет экспе-
риментальные данные.
Барнс и Бирке [269] распространили теорию на случай обра-
зования и устойчивых фотодимеров и эксимеров некоторых
* Разные авторы используют различные термины: «смешанные эксиме-
ры», «гетерополярные эксимеры», «гетероэксимеры», «внутримолекулярные
смешанные эксимеры». По рекомендации международного симпозиума по мо-
лекулярной люминесценции (Чикаго, август 1968 г.) эксиплексом предложено
называть электронно-возбужденный атомный или молекулярный комплекс
определенной стехиометрии, который в основном состоянии распадается.
Эксиплекс может быть люминесцирующим или нелюминесцирующим. Экси-
мер— это эксиплекс между одинаковыми атомами или молекулами. К экси-
плексам не относятся возбужденные молекулы, взаимодействующие с неопре-
деленным числом молекул растворителя [см. Mol. Photochem., 1, № 1, 157
(1969)]. — Прим. pedt
342
Глава iv
производных антрацена. Они утверждают, что нижним возбуж-
денным синглетом антрацена, тетрацена и пентацена является
Рис. 129. Спектр поглощения пирена в этаноле [255].
состояние ^а, диполь которого поляризован поперек малой оси
молекулы. Потенциал диполь-дипольного взаимодействия между
/+ молекулами в состоянии iLa
La велик, и этот потенциал ориен-
тирует молекулы А * и А так,
| f * что их плоскости становятся
ь | параллельными, а положения
9 и 10 располагаются друг про-
тив друга. Величина взаимо-
I действия достаточна для обра-
зования ковалентных связей
Мономер Димер
Рис. 130. Уровни энергии мономера
и возбужденного димера.
между двумя молекулами
(соединяющих положения 9 и
10), в результате которого
образуется устойчивый фото-
димер (см. рис. 121). (Следует
отметить, что антрацен тем не
менее дает и возбужденный
димер при триплет-триплетном взаимодействии в этаноле при
—75° С [179]). Введение заместителей создает препятствия сбли-
жению мономеров А * и А и, следовательно, ограничивает вели-
чину взаимодействия. Так, 9-метилантрацен все еще дает фото-
димеры (хотя и с меньшим выходом, чем антрацен), но, кроме
СПЕЦИАЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ II ПРИМЕНЕНИЕ
343
того, 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 того, ни
другого вследствие некопланарности фенильных заместителей
и основной системы колец. Когда нижним возбужденным син-
глетом является состояние iLb (например, в пирене), влияние
потенциала диполь-дипольного взаимодействия состояний xLa
уменьшается, хотя оно все еще достаточно для того, чтобы осу-
ществить параллельную ориентацию плоскостей и осей молекул
А * и А. Поэтому поляризация флуоресценции димера оказы-
вается такой же, как у состояния но взаимодействие недо-
статочно велико для того, чтобы л-электроны превратились в
о-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 того, чтобы за время жизни воз-
бужденных молекул заметная доля их смогла встретить другие
молекулы этого же вещества. Поэтому в разбавленных раство-
рах эксимеры получаются лишь в незначительной степени. Од-
нако если пары ароматических колец соединены цепочкой на-
сыщенных атомов углерода, 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-
бавленных растворов дифенил- и трифенилалканов. Он уста-
новил, что когда фенильные группы разделены цепочкой из трех
атомов углерода (как, например, в 1,3-дифенилпропане и
1,3,5-трифенилпентане), то наблюдается эксимерное испускание,
и объяснил это тем, что в таких соединениях бензольные кольца
легко могут принять конфигурацию, благоприятствующую об-
разованию эксимеров. Подобный же эффект имеет место и в
растворах полимеров стирола [274]. Так, спектры поглощения
изотактического и атактического полистирола в 1,2-дихлорэтане
совершенно 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 изотактического поли-
стирола появляется полоса 324 нм, близкая к полосе 320 нм,
испускаемой эксимерами толуола в его концентрированных рас-
творах. Авторы [274] предположили, что каждая фенильная
группа может давать эксимер с любым из своих ближайших
соседей. Но еслц это действительно так, то, следовательно, для
344
ГЛАВА IV
образования эксимеров вовсе не нужны регулярные контакты
между фенильными кольцами, расположенными параллельно
друг другу, 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-
ческого.
9. Другие методы получения испускания возбужденных
димеров
По Барнсу и Бирксу [269], эксимерная флуоресценция антра-
цена не испускается потому, что благодаря 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 устойчивого фотодимера. Именно такие опыты
были проведены Чандроссом [275]. Растворы диантрацена в
твердом метилциклогексане при 77 К не флуоресцировали. Ши-
рокая бесструктурная полоса флуоресценции появлялась, од-
нако, после облучения образца при 77 К светом 254 нм. Испус-
кания мономерного антрацена зарегистрировано не было, но
оно возникало с высокой интенсивностью после разморажива-
ния и повторного замораживания. Автор объяснил свои резуль-
таты тем, что при фотолизе диантрацена получаются две моле-
кулы антрацена, которые благодаря жесткости матрицы не
могут разойтись и остаются близко друг к другу; испускание
эксимера возникает 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 углеводоро-
дов. При помощи электролиза на переменном токе растворов
углеводородов в ацетонитриле и диметилформамиде они полу-
чали положительные и отрицательные ион-радикалы А+ и А”
и наблюдали люминесценцию * двух типов: а) испускание син-
* Первое исследование этого типа было опубликовано Херкулесом [1],
затем последовало большое число работ по электрохемилюминесценции (см.
обзоры [2, 3]). Чандроссу и Зоннтагу [4] удалось возбудить люминесценцию
еще одним способом — при сливании двух растворов, один из которых со-
держал катион-радикалы, а другой — анион-радикалы.
1. Hercules D. М., Science 143, 808 (1964).
2. Hercules D. М., Acounts Chem. Res., 2, 301 (1969).
3. Zweig A., Adv. in Photochem., 6, 425 (1968).
4. Chandross E. A., Sonntag F. /., J. Am. Chem. Soc., 86, 3179 (1964). — Прим,
ped,
СПЕЦИАЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ И ПРИМЕНЕНИЕ
345
глет-возбужденного мономера углеводорода и б) широкую по-
лосу, которую авторы приписали димеру. Они предполагают,
что люминесценция возбуждается в следующих двух процессах:
А++ А~-> А*-|-А, (401)
А+ + А~->А', (402)
(см. также раздел IV, Д, 4).
Д. ВОЗБУЖДЕННЫЕ ДИМЕРЫ 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 (127) — (132)] образуется короткоживущая возбуж-
денная частица X, из которой затем получается возбужденная
синглетная молекула. Частицей X мог бы быть короткоживущий
димер:
3А + 3А->,А;->‘а’+,А (403)
или одиночная молекула в квинтуплетлом состоянии:
М + М-^М + 'А-^'А’ + М. (404)
Проблема была частично решена последующими исследования-
ми растворов пирена в этаноле [34]. Авторы установили, что
спектры быстрой флуоресценции ..изменяются с .концентрацией
так же, как. л да.^эте Фёрстера_и_ Каспера [40], т. е. испуска-
ние мономера испыть№ает._концентра.ционное тушение в соот-
ветствии с уравнением Штерна — Фольмера [формула (383)] и
одновременно растет интенсивность испускания димеров. Отно-
сительная интенсивность испускания димеров (сро/срм) с умень-
шением концентрации пирена снижалась 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, где
быстрая флуоресценция димеров отсутствовала вовсе.
Интенсивности замедленной флуоресценции как мономера,
так и димера были пропорциональны квадрату скорости погло-
щения света, поэтому Паркер и Хатчард предложили следую-
щий механизм, в котором замедленная флуоресценция возни-
кает в результате триплет-триплетного взаимодействия. В случае
Длина волны, нм
Рис. 131. Быстрая флуоресценция пирена в этаноле [34].
1 —3*10"~3 Л4; 2— 10“3 М; 3—3«10"~4 М; 4 — 2«10"~6 М. Чувствительность для кривых 1 п 4
примерно в 0,6 и 3,7 раза больше, чем для кривых 2 и 3. Коротковолновые края спектров
более концентрированных растворов искажены из-за самопоглощения.
Длина волны, нм
Рис. 132. Замедленная флуоресценция пирена в этаноле [34].
1 — 3« 10“3 М; 2— 10~3 Af; 3-3-10“4 4 — 2Л(Г* М. Чувствительность примерно в 1000 раз
больше, чем для соответствующих кривых на рис. 131. Коротковолновые края спектров
более концентрированных растворов искажены вследствие самопоглощения.
СПЕЦИАЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ И ПРИМЕНЕНИЕ
347
быстрой флуоресценции синглет-возбужденные мономеры и воз*
бужденные димеры получаются в следующих процессах:
(405)
После выключения возбуждающего света концентрации обоих
возбужденных состояний быстро снижаются, принимая значе-
ния, которые определяются триплет-триплетным взаимодей-
ствием:
3Р + 3Р->1Р2*->1Р*+1Р.
(406)
Таким образом, при быстрой флуоресценции сначала образуется
синглет-возбужденный мономер, а при замедленной — возбуж-
денный димер. Очевидно, если !Р* и !Р2 испускают свет до
того, как между ними установится равновесие, то вклад испу-
скания димера в замед-
ленную флуоресценцию
будет при всех концентра-
циях больше его вклада в
быструю флуоресценцию,
а при уменьшении кон-
центрации пирена относи-
тельная интенсивность за-
медленной флуоресценции
димера будет снижаться
до постоянного конечного
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-
казали также, ЧТО этот Рис. 133. Механизм быстрой и замедлен-
механизм допускает И ной флуоресценции пирена в этаноле [34].
количественную интер-
претацию их измерений при комнатной температуре, на чем мы
кратко остановимся.
В моменты измерения замедленной флуоресценции возбуж-
дающий свет перекрыт, концентрации возбужденных синглет-
ных состояний S* и Si определяются процессами (406) и, если
частота прерываний 800 Гц, они лишь незначительно умень-
шаются за время темнового промежутка, поскольку время
жизни замедленной флуоресценции составляет около 3—5 мс.
Поэтому для концентрации .S* в стационарном состоянии можно
348
ГЛАВА IV
записать следующее уравнение (обозначения констант скорости
см. на рис. 133):
kd [S2‘] = (kt + kn + kg + kAc) [S‘]. (407)
Отсюда для отношения эффективностей замедленной флуорес-
ценции димера и мономера получаем
вр_k'f[S;j _fe;(fef+fe„+^) k'kA
kfkd (4Ub)
ИЛИ
0£)/0jf == ^2 + (409)
т. e. при низких концентрациях пирена отношение 0в/0м стре-
мится к постоянному предельному значению К2. Измерения
в наиболее разбавленном растворе показали, что оно равно
0, 706. Постоянными оказались и величины Кз и К\ [см. уравне-
ние (382)], полученные в опытах с более концентрированными
растворами. Таким образом была дана исчерпывающая коли-*
чественная интерпретация (см. также оригинальную 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 низкой температуре
Если отсутствие испускания димеров в замедленной флуо-
ресценции (например, антрацена) указывает Ца очень быструю
диссоциацию димера, то можно ожидать, что с понижением тем-
пературы скорость диссоциации димера настолько уменьшится,
что его 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 —75°С проявляется довольно
интенсивная полоса димера, но наиболее подробно были иссле-
дованы растворы нафталина в этаноле [112]. Так, при —105° С
и концентрации 3-10-2 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 растворов. Эти полосы были найдены также и в спектре
замедленной флуоресценции, однако относительная интенсив-
ность димерной полосы в этом случае была много больше
(рис. 134, кривая б). При более низкой концентрации (3- 10-3А1)
интенсивность полосы димера в спектре быстрой флуоресцен-
ции была очень мала, но в спектре замедленной флуоресцен-
ции все еще значительна (табл. 42). Таким образом, поведение
растворов нафталина при —105° С качественно было таким же,
как поведение растворов пирена при комнатной температуре^
СПЕЦИАЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ И ПРИМЕНЕНИЕ
349
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 сдвигалось в сторону
Рис. 134. Быстрая и замедленная флуоресценция 3*10 М раствора наф-
талина в этаноле [112].
а —быстрая флуоресценция при —105° С при чувствительности XI; б— замедленная флуо-
ресценция при — 105° С при чувствительности Х60; в —замедленная флуоресценция при
4-22° С при чувствительности Х140. Возбуждение светом 313 нм со стороны наблюдения.
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 в).
На этой стадии исследований создалось впечатление, что
механизм Паркера — Хатчарда дает исчерпывающую интерпре-
тацию явления замедленной флуоресценции типа Р и что на-
блюдающиеся для различных соединений при разных темпера-
турах вариации вклада димерного испускания обусловлены
изменениями положения равновесия между возбужденными мо-
номером и димером и изменениями скорости установления это-
го равновесия. Однако на самом деле все оказалось сложнее.
350
ГЛАВА IV
Таблица 42
Относительные интенсивности полос испускания димера
и мономера нафталина в этаноле [112]
Концентрация нафталина, М Температура, °C Отношение интенсивностей (в макси- муме) димера и мономера
быстрая флуоресценция замедленная флуоресценция
3-10-2 22 <0,03 0,03
-23 0,04 0,05
-50 0,12 0,13
-67 0,26 0,28
-105 0,34 0,60
3 • ю"3 22 <0,03 <0,03
-50 <0,03 0,03
—77 <0,03 0,09
-105 <0,03 0,17
3. Растворы пирена при низкой температуре
Если мы исходим из того, что механизм Паркера — Хатчар-
да правилен, то для предсказания влияния температуры на
спектр замедленной флуоресценции следует использовать урав-
нение (408). При достаточно низких концентрациях пирена
можно пренебречь испусканием димеров в быстрой флуоресцен-
ции, и уравнение (408) принимает следующий вид:
ег> kt (kf + kn + kg) _ kf , (410)
kfkd
При понижении температуры kd уменьшается, a растет.
Но при комнатной температуре <р^ — 0,7, т. е. уже достаточно
велико, и его дальнейшее увеличение не сможет уменьшить
0г»/0м более чем до 70% его значения при комнатной темпера-
туре. Поскольку при уменьшении температуры константа ско-
рости kd снижается непрерывно, то можно ожидать, что суммар-
ный эффект сведется к увеличению отношения 0в/0м, а при
очень низкой температуре kd будет пренебрежимо мало, и вся
замедленная флуоресценция будет представлять собой испуска-
ние димера.
Растворы, достаточно разбавленные для того, чтобы можно
было проверить следствия из уравнения (410), были исследо-
ваны Паркером [86], повторившим работу Стивенса и сотр. [85],
в которой были изучены более концентрированные растворы
СПЕЦИАЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ И ПРИМЕНЕНИЕ
351
пирена. Результаты, полученные с пиреном и бенз-(а)-пиреном,
приведены на рис. 135. С понижением температуры отношение
0р/0м сначала растет, но затем в полном противоречии с выше-
приведенными заключениями падает, так что вклад димерного
испускания при —110° С оказывается малым как для пирена,
так и для бенз-(а)-пирена. Стивенс и сотр. [85] объясняли ре-
зультаты тем, что при низких температурах важную роль начи-
нает играть другой механизм — триплет-триплетное взаимодей-
ствие на расстояниях, больших, чем это требуется для образо-
вания возбужденного димера. Кроме того, они предполагали,
что при низкой температуре образование возбужденного димера
может быть затруднено вследствие существования энергии ак-
тивации. Результаты Паркера хорошо согласуются с этой точ-
кой зрения? и, действительно, все имеющиеся сейчас опытные
данные по замедленной флуоресценции жидких растворов [179]
могут быть интерпретированы в рамках комбинированного ме-
ханизма Паркера — Стивенса [см. уравнение (411)], предпола-
гающего, что при высокой температуре главную роль играет
триплет-триплетное взаимодействие при столкновениях молекул
[уравнение 411(a)], при низкой — дальнее триплет-триплетное
взаимодействие [уравнение 411 (б)], а в промежуточном интер-
вале температур существенны оба процесса.
3Л + 3Л\ <411)
(б’ч,л*+м
Бирке и сотр. [277] приняли несколько иную комбинацию
механизмов. Они предположили, что в результате триплет-три-
плетного взаимодействия образуется высшее возбужденное со-
стояние димера, которое затем либо испытывает быструю кон-
версию в нижнее возбужденное состояние димера, либо
распадается на электронно-возбужденный и невозбужденный
мономеры (в соотношении а:1), а именно
л 'Аг
3Л + 3Л-*’ЛГ( It (412)
* М’ + м
Кинетически этот механизм подобен механизму Паркера — Сти-
венса в том смысле, что он дает еще один путь образования
синглет-возбужденного мономера (в обход состояния Мг) и,
следовательно, позволяет избежать трудностей объяснения дан-
ных рис. Д35 в рамках уравнения (410). При любой данной
352
ГЛАВА tV
температуре полученные Бирксом и его 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 того, почему отношение концентраций димера и мо-
номера должно при низких температурах уменьшаться. В этих
условиях скорость диффузии становится меньше, триплетные
Рис. 135. Влияние температуры на отно-
шение испускания димера к испусканию
мономера в спектре замедленной флуорес-
ценции [86].
/ —2«10“б М раствор пирена в этаноле; 2— 10~5 М
раствор бенз-(а)-пирена в этаноле.
молекулы дольше нахо-
дятся на расстояниях,
благоприятствующих пе-
реносу энергии от трипле-
та к триплету, и можно
ожидать, что большая их
доля будет взаимодей-
ствовать, не приводя к об-
разованию возбужденного
димера; при низкой тем-
пературе дополнительным
препятствием может быть
наличие энергии акти-
вации у процесса образо-
вания возбужденного ди-
мера. По мнению Парке-
ра [278], недостатком ме-
ханизма Биркса является
необходимость предпола-
гать, что при низкой температуре скорость диссоциации высоко-
возбужденного димера больше скоростей конкурирующих реак-
ций; поэтому предпочтительнее механизм Паркера — Стивенса,
предполагающий дальний перенос энергии от триплета к три-
плету, существование которого в жестких средах не вызывает
никаких сомнений (раздел П, Г, 3). Эту точку зрения подтвер-
ждают и результаты опытов с производными антрацена [179].
Позднее Бирке [443] предложил механизм, в котором предпола-
гается образование квинтуплетного состояния димера, имеющего
меньшую энергию, чем М2, и его термическая активация и ин-
теркомбинационная конверсия в состояние М2.
4. Общий механизм возбуждения испускания мономера
и димера
Механизмы типа предложенных Стивенсом и сотр. [85] или
Бирксом и сотр. [277, 279], предполагающие прямое заселение
состояний 1А и 1А*2 [уравнения (411) и (412)], можно распро-
СПЕЦИАЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ И ПРИМЕНЕНИЕ
353
странить на общий случай системы, в которой идут различные
процессы, причем некоторые из них заселяют состояние М *,
а некоторые — состояние 'А2. Энергия в эту систему может под-
водиться путем начального фотовозбуждения, поглощения иони-
зирующего излучения, химической реакции или при помощи
любого другого способа возбуждения. Независимо от способа
возбуждения, процессы, заселяющие систему возбужденных
состояний, которую можно представить в виде уравнения
‘А‘ + ’А#’а;, (413)
можно разделить на две группы, а именно: а) процессы, дающие
сначала 1А *, и б) процессы, дающие сначала 'Аг- Их пол-
ные скорости мы обозначим RM и Rd соответственно и, исполь-
зуя обозначения уравнений (375) — (381), напишем следующую
общую кинетическую схему:
(414)
Чтобы выразить отношение испускания димера к испуска-
нию мономера (Фд/Фм) через константы скорости, предполо-
жим, что концентрации триплетных молекул, получающихся из
состояния ’А* (со скоростью &g[’A*]) или из состояния 'Аг (со
скоростью, включенной в член k'n[’Аг]), не настолько велики,
чтобы их бимолекулярное взаимодействие вносило заметный
вклад в скорости Rm и Rd. Иными словами, предположим, что
стационарные концентрации 'А* и 'Аг 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 'А* н 'Аг можно записать в следующем виде:
(kf + k« + kg + kAc) [>A‘] = RM + (415)
И
+ k'n+kd) =rd + kAc [’A*]. (416)
Следовательно,
фо _ 14’] _ k'frD [(a/4 + (1 + a) kAc]
M1+aVJ ’ VH/J
354
ГЛАВА IV
где a = RDlRM> а xd и тм —вРемена жизни димера и мономера
при бесконечном разведении, выражаемые следующими фор-
мулами:
~ + k'n -f- kdt |
1/4 -*, + *» + *„• I <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
Фо/Фм = К' + К"с, (419)
и график зависимости отношения Фд/Фл от с представляет
собой прямую линию, из которой
R"/R' = (l + l/a)kAr°M. (420)
Формула (417) эквивалентна уравнению, впервые получен-
ному Бирксом [279] для случая замедленной флуоресценции, воз-
буждаемой светом. Константы Кз и К2 [см. уравнение (409)],
рассчитанные Паркером и Хатчардом для пирена в этаноле,
эквивалентны константам К" и К'. Бирке и сотрудники приме-
нили этот метод для определения константы а замедленной
флуоресценции типа Р пирена в этаноле (а = 2,0) [279] и пи-
рена, 1,2-бензантрацена и 5-метил-1,2-бензантрацена в цикло-
гексане (а = 2,0, 0,9 и 0,9 соответственно [277]). Паркер и
Шорт [280] установили, что при электрохемилюминесценции
9,10-диметилантрацена в диметилформамиде испускание моно-
мера и димера подчиняется уравнению (419), причем обе кон-
станты увеличиваются при снижении температуры и напряже-
ния. Значение К' при низкой температуре и низком напряжении
оказалось гораздо больше, чем значение К2 [см. уравнение
(409)], найденное Паркером и Джойс [179] для замедленной
флуоресценции, возбуждаемой при тех же условиях светом;
это указывало, что триплет-триплетная аннигиляция не была
главным источником электрохемилюминесценции.
Е. ВЛИЯНИЕ РАСТВОРИТЕЛЯ
1. Общие замечания
Спектры флуоресценции и фосфоресценции и их эффектив-
ность подвержены многообразным влияниям растворителя. Не-
которые из них сложны и пока еще недостаточно хорошо иссле-
дованы. Можно выделить следующие виды влияния раствори-
СПЕЦИАЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ И ПРИМЕНЕНИЕ
355
теля: поляризация и водородная связь, влияние вязкости, влия-
ние тяжелых атомов, химическое взаимодействие в основном
состоянии, фотохимические реакции. Химическая реакция воз-
бужденного синглетного или триплетного состояния с раствори-
телем представляет собой дополнительный путь потребления
возбужденных молекул и, очевидно, должна приводить к туше-
нию соответствующей люминесценции. Примерами могут слу-
жить антрацен в четыреххлористом углероде (тушение флу-
оресценции) или бензофенон в этаноле (тушение триплетов).
При 77 К такие реакции часто сильно замедляются. При реак-
ции растворителя с невозбужденными молекулами могут полу-
чаться новые частицы, имеющие свой собственный спектр по-
глощения, и это может влиять на люминесценцию: она будет
менее интенсивной, чем в «нереакционноспособном» раствори-
теле, или возникнет новая полоса флуоресценции. Ниже в спе-
циальном разделе обсуждается эффект водородной связи, кото-
рая, в частности, также приводит к заметным изменениям
спектра поглощения. 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), то они могут повысить
эффективность фосфоресценции. Наконец, существует и «три-
виальный» эффект, который тем не менее имеет важное практи-
ческое значение: если растворитель сильно поглощает при дли-
не волны возбуждающего света, то он будет действовать как
внутренний фильтр и люминесценция будет слабой или исчезнет
(см. раздел 111,3). Это автоматически ограничивает выбор рас-
творителей, пригодных для коротковолнового возбуждения.
2. Поляризация и сольватация
При обсуждении влияния сольватации и водородной связи
мы должны четко различать влияние на спектр поглощения и
влияние на спектр испускания. В разделе I, Б, 3 мы уже оста-
навливались на том, почему 0-0-полосы в спектрах поглощения
и флуоресценции не совпадают. Разность энергий появляется
в результате того, что сразу после поглощения света конфигу-
рация ядер сольватированной молекулы оказывается такой же,
как и у невозбужденной молекулы (принцип Франка—Кон-
дона), но, вообще говоря, иной, чем равновесная конфигурация
в возбужденном состоянии. Дипольное притяжение между рас-
творителем и возбужденными или невозбужденными молеку-
лами может быть обусловлено как постоянным, так и наведенным
356
ГЛАВА IV
дипольным моментом, а сольватация происходит в благо-
приятных случаях в результате образования водородной связи.
Под действием всех этих причин равновесные конфигурации
основного и возбужденного состояний могут оказаться различ-
ными, и, как показано на рис. 4, чем больше разность энергий
этих двух конфигураций, тем больше разность частот 0-0-полос
поглощения и испускания. Поскольку замена растворителя из-
меняет разность энергий конфигураций, постольку при этом
будет изменяться и расстояние между 0-0-полосами. Повышение
полярности растворителя приводит к увеличению 0-0-расщепле-
ния. Это происходит даже тогда, когда молекулы вещества не
обладают постоянным дипольным моментом, так как при
возбуждении изменяется поляризуемость. Молекулы, обладаю-
щие постоянным дипольным моментом, испытывают дополнитель-
ное влияние. Гораздо более сильное влияние наблюдается в слу-
чае образования водородной связи между растворителем и рас-
творенным веществом. Этот эффект мы рассмотрим в следую-
щем разделе.
3. Водородная связь
Соединения, содержащие СО, —ОН, —NH2 и другие группы,
могут образовывать с некоторыми растворителями водородные
связи как в основном, так и в электронно-возбужденном состоя-
нии. Возбужденные состояния, связанные с молекулами рас-
творителя (S) водородной связью, могут быть получены двумя
путями:
A + S-*AS-^>(AS)*, (421)
A* + S->(AS)*.
(422)
Влияние водородной связи в основном состоянии исследовали
Нагакура и Баба [281]. В протоноакцепторных растворителях
(например, в диоксане) кажущиеся дипольные моменты фенола
и анилина оказались аномально большими, а красные сдвиги
полос поглощения также необычно велики по сравнению с ди-
польными моментами и сдвигами полос в алифатических угле-
водородах. Этот эффект наблюдается при сравнительно низких
концентрациях диоксана в гептане, и, поскольку в О- или N-ме-
тилированных производных он отсутствовал, авторы приписали
его образованию комплексов с водородной связью:
СН2—СН2
0Н---0
сн2—сн2
СПЕЦИАЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ И ПРИМЕНЕНИЕ
357
По Веллеру [241], введение таких акцепторов, как триэтиламин
или пиридин, в раствор 3-оксипирена в метилциклогексане при-
водит к длинноволновому сдвигу на 0,03 мкм-1 спектра погло-
щения этого соединения. Образование водородной связи сопро-
вождается уменьшением эффективности флуоресценции. Веллер
получил аналогичные результаты и с р-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.
полного переноса протона к основанию, см. раздел IV, В), при-
водящей к гораздо большим сдвигам полос поглощения.
Как мы видели в разделе I, Б, 6, увеличение полярности вы-
зывает коротковолновый сдвиг л* — n-полос поглощения и
меньший сдвиг л* — л-полос в длинноволновую сторону. Со-
стояние л* — п обычно имеет наименьшую энергию у тех про-
стых молекул, которые содержат атомы с неподеленной парой
электронов. Благодаря большому времени жизни такие соеди-
нения флуоресцируют плохо. Если у некоторого соединения
энергии нижних л* — л- и л* — n-состояний одинаковы, то мо-
жет оказаться, что в инертном растворителе самым нижним со-
стоянием будет л* — п, которое, однако, сдвигается в коротко-
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 углеводородном растворителе флуоресцировать не
будут. Примером служат хлорофиллы а и Ь, флуоресценция
которых в чистых сухих углеводородах 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 сдвига
л* — n-уровней на влияние водородной связи, хорошо иллю-
стрирует интересная работа Бредерика, Фёрстера и Эстерлина
[284]. У низших альдегидов синглет-возбужденным состоянием
с наименьшей энергией является состояние л* — п, и они не
флуоресцируют. С увеличением размеров системы ароматиче-
ских колец оба типа состояний сдвигаются в сторону меньших
энергий. При этом л* — л-состояние сдвигается сильнее, чем
гс*— п, становится в конце концов самым нижним возбужден-
ным синглетом, и поэтому наиболее сложные ароматические
альдегиды являются флуоресцирующими. Бредерик и сотрудни-
ки считают, что пирен-3-альдегид занимает промежуточное по-
ложение, т. е. его л* — л- и л* — n-состояния имеют примерно)
358
ГЛАВА IV
одинаковые энергии. Это соединение не флуоресцирует в геп-
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 голу-
бую, хотя максимум поглощения (т. е. л* — л-полоса, которая
полностью маскирует гораздо более слабую л* — n-полосу) ис-
пытывает при этом сравнительно небольшой сдвиг в красную
сторону. Большой красный сдвиг флуоресценции указывает на
то, что в полярном растворителе за время жизни возбужденного
состояния л* — л происходит значительная сольватация этого
состояния. Бредерик и сотрудники считают, что именно повы-
шенная сольватация л* — л-состояния в полярных растворите-
лях приводит к изменению относительной заселенности двух
типов возбужденных состояний и, следовательно, 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 достигает макси-
мального значения лишь в чистом активирующем растворителе.
Однако в случае сильно активирующего растворителя флуорес-
ценция резко усиливается с ростом его концентрации, и, напри-
мер, ее интенсивность имеет заметное значение уже в 10-3 М
растворе трихлоруксусной кислоты в гептане. При низких кон-
центрациях характер спектров такой же, как и в умеренно акти-
вирующих растворителях — они обладают структурой, располо-
жены при сравнительно высоких волновых числах и не испыты-
вают красного сдвига. Однако при высоких концентрациях три-
хлоруксусной кислоты в спектре появляется дополнительный
максимум при более длинных волнах, который при увеличении
концентрации сдвигается в сторону длинных волн, так что, на-
пример, при концентрации 1 М флуоресценция становится зеле-
ной. Авторы предположили, что, поскольку активация при низ-
ких концентрациях трихлоруксусной кислоты не сопровождается
красным сдвигом, она обусловлена не уменьшением энергии
флуоресцентного л* — л-состояния, а повышением л* — п-уровня
относительно уровня основного состояния. Далее, ее нельзя
объяснить реакцией в возбужденном состоянии, поскольку эф-
фект наблюдается при низких концентрациях. Таким образом,
активация обусловлена, вероятно, взаимодействием в основном
состоянии, которое приводит к образованию новых частиц —
комплексов с водородной связью. Этот вывод, по-видимому, под-
тверждается изменениями в спектрах поглощения.
СПЕЦИАЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ И ПРИМЕНЕНИЕ
359
Свои результаты Бредерик, Фёрстер и Эстерлин суммируют
следующим образом. Способность соединения флуоресцировать
определяется расщеплением синглетных состояний л* — л и
л* — п. Если оно достаточно мало, то заменой растворителя
можно изменить его знак. Сделать это можно двумя путями.
Слабо или умеренно активирующие растворители (такие, как
хлороформ, этанол} понижают энергию состояния л* — л за
А Б В Г
Рис. 136. Влияние растворителя на относительное расположение основного
(G) и возбужденных энергетических уровней пирен-З-альдегида.
А —в неполярном растворителе; Б—в умеренно активирующем растворителе, образую-
щем водородную связь с возбужденным л* — л-состоянием; В —при низких концентрациях
сильно активирующего растворителя, образующего водородные связи с основным л* —л-
возбужденным состоянием; Г —при высоких концентрациях сильно активирующего ра-
створителя, даюТЦег'о дополнительный эффект полного переноса протона.
счет усиления взаимодействия, возбужденного состояния с доба-
вочными молекулами, не участвующими в водородной связи с
невозбужденными молекулами вещества. Влияние сильно акти-
вирующих растворителей (например, трихлоруксусной кислоты)
в области их низких концентраций сводится к повышению энер-
гии л*—n-состояния за счет образования водородной связи в
основном состоянии, а в области высоких концентраций, где
красный сдвиг чрезвычайно велик, — к переносу протона в воз-
бужденном состоянии, который дополнительно облегчается дру-
гими молекулами активатора. Эти выводы иллюстрирует схема,
приведенная на рис. 136.
4. Влияние вязкости
Согласно уравнению (80), вязкость растворителя — основной
параметр, который определяет скорость реакций, контролируе-
мых диффузией. Поскольку время жизни триплетов в жидкости
360
ГЛАВА IV
часто определяется главным образом следами тушащих приме-
сей 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 которого 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 интеркомбинацион-
ную конверсию из триплетного состояния в основное. Например,
было сделано предположение, что резкое возрастание эффектив-
ности фосфоресценции эозина в глицерине при —60° С [19] обус-
ловлено тем, что при этой температуре внезапно повышается
жесткость растворителя, замораживаются колебания триплет-
ной молекулы и, следовательно, затрудняется безызлучательная
интеркомбинационная конверсия в основное состояние. Этанол
при этой температуре все еще жидкий, и в нем такой эффект не
наблюдается. С другой стороны, Стивенс и Уокер [115] показа-
ли, что времена жизни триплетов некоторых ароматических угле-
водородов в жидком парафине изменяются с температурой так,
как это следовало бы ожидать, если бы основную роль играло
тушение примесями, контролируемое диффузией (см. раздел
IV, Б, 1). Наглядным 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 потушена кислородом, однако в твердом растворе при
77 К она интенсивна, и эффективность фосфоресценции не зави-
сит от того, 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 в насыщенных воздухом растворах тех соединений,
у которых исключительно велико время жизни флуоресценции.
Например, если разбавленный раствор пирена в циклогексане
насытить воздухом, то это приведет примерно к 20-кратному ос-
лаблению флуоресценции [43]. В жидком парафине или глице-
рине тушение гораздо слабее вследствие большей вязкости этих
растворителей. Очевидно, что при исследовании более специфи-
ческих эффектов растворителя очень важно проводить опыты
так, чтобы исключить тушение кислородом.
СПЕЦИАЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ И ПРИМЕНЕНИЕ
361
Влияние и температуры и вязкости на эффективность флуо-
ресценции в растворах исследовали Боуэн и Симан [24]. Энер-
гия активации тушения флуоресценции гибких молекул, напри-
мер ди-9-антрилэтана, оказалась близкой к энергии активации
текучести растворителя. Отсюда можно было сделать вывод о
том, что деградация энергии электронного возбуждения осуще-
ставляется путем относительного термического диффузионного
движения двух больших кольцевых систем, соединенных гибкой
цепью. Влияние вязкости на энергию активации жестких моле-
кул (антрацен) было гораздо меньше.
Более сложным является влияние вязкости на эффективность
замедленной флуоресценции типа Р. С одной стороны, при уве-
личении вязкости замедляется тушение триплетов примесью и
поэтому возрастает их время жизни. С другой стороны, при этом
уменьшается и скорость встреч триплетов с триплетами; правда,
перенос энергии от триплета к триплету может происходить и на
расстояниях, превышающих расстояние встречи. В растворах на-
фталина в этаноле [112] суммарный эффект состоит в умеренном
росте величины 0/ф/ при понижении температуры от +20 до
—80° С; так же ведут себя и некоторые другие ароматические
углеводороды.
5. Разрешение колебательных полос и эффект
Шпольского
Хорошо^ разрешенную колебательную^^структуру спектров
флуоресценции при комнатной температуре имеют те молекулы,
которыеобладают жесткой структурой колец с минимальным
числом замещающих групп. При комнатной 'температуре в жид-
ком растворе" ширина колебательных полос составляет несколько
сотых обратного микрометра. Примером может служить спектр
пирена в этаноле (рис. 137,6), полученный с помощью двойного
кварцевого призменного монохроматора при ширине щели
0,04 мм, что соответствовало полуширине полосы 0,38 нм
(0,0024 мкм*'1) при 400 нм; очевидно, таким образом, что раз-
решение в данном случае не лимитировалось характеристиками
прибора. Полосы будут лишь немного уже, если записать спектр
при комнатной температуре в насыщенном углеводороде. Го-
раздо более резкая структура получается в жесткой стеклооб-
разной среде при 77 К (рис. 137,а), но ширина полос все еще со-
ставляет 0,01—0,02 мкм-1. Другие 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-
сталлический твердый раствор [285]. Наблюдаемые в стекле сра-
362
ГЛАВА IV
внительно широкие колебательные полосы расщепляются на се-
рии чрезвычайно jzaxnx линии---неблагоприятных случаях их
ширина .составляет —
до 0,00] мкм^Т^Расположение линий является регулярным, а за-
висимость от растворителя весьма интересна. Впервые такие
резкие спектры были получены Шпольским и сотрудниками, ко-
торые, используя фотографическую методику, исследовали сна-
чала растворы коронена [286], а позднее — пирена и бенз-(а)-пи-
рена [287]. Их данные подтвердили Боуэн и Броклхерст [288],
Рис. 137. Спектры испускания быстрой флуоресценции 2*10“5 М растворов
пирена.
а—в смеси эфир —пентан— этанол при 77 К; б—в этаноле при комнатной температуре.
Возбуждение при 313 нм. Анализирующий монохроматор с кварцевой призмой имел полу-
ширину полосы 0,38 нм (0,0024 мкм""1) при 400 нм.
применившие при исследовании коронена призменный стеклян-
ный фотоэлектрический спектрометр. Эти авторы показали, од-
нако, что использованный Шпольским и сотрудниками образец
коронена содержал следы 1,12-бензперилена, который преиму-
щественно и возбуждался светом 366 нм; эта работа впервые
продемонстрировала аналитические возможности данной мето-
дики. Позднее Боуэн и Броклхерст [289] установили, что резкость
спектров коронена, 1,12-бензперилена, трифенилена и 9,10-ди-
хлорантрацена сильно изменяется при замене растворителя, и
они приписали этот эффект специфическому взаимодействию мо-
лекул растворенного вещества с кристаллической решеткой рас-
творителя, степень которого определяется относительными раз-
мерами молекул растворителя и растворенного вещества. Позд-
нее в обзорной статье Шпольский [285] указал, что, судя по ре-
зультатам, полученным с различными веществами, условием,
СПЕЦИАЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ И ПРИМЕНЕНИЕ
363
наиболее благоприятствующим возникновению квазилинейчатых
спектров, является приблизительное совпадение размеров моле-
кул растворителя и растворенного вещества. При этом молекула
вещества заменяет в кристаллической матрице молекулу раство-
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 н-гексане (0,88 нм), а у бенз-(а)-пирена (1,0 нм) —в
н-гептане (1,0 нм) или в н-октане (1,1 нм).
С тех пор были подробно исследованы, особенно советскими
авторами, различные приложения этой методики. Написанный
Шпольским [290] обзор аналитических применений охватывает
работы до 1959 г. Дикун [291], Мюэль и Лакруа [292] и Персо-
нов [293] использовали метод для определения следов бенз-(а)-
пирена. Метод представляет интерес и с теоретической точки
зрения. Поскольку в конденсированной среде все излучательные
переходы происходят с самого нижнего колебательного уровня
первого возбужденного синглетного или^гриплетного состояния,
то структура полос спектров испускания флуоресценции~и“фос-
форесценции отражает колебательные частоты основного^ со-
стояния мрлекулы. Поэтому анализ высокоразрешенных спек-
тров Шпольского дает возможность определить эти частоты.
Этим методом был проведен колебательный анализ спектров
фенантрена (фосфоресценция) [294], дифенилполиенов и полифе-
нилов [295], азулена [296] и пирена [297]. Спектр последнего в
н-гексане интересен тем, что при 4 К в нем присутствует свыше
220 линий (при 77 К около 60 линий).
Квази линейчатые спектры чувствительны к влиянию внутри-
молекулярных и межмолекулярных сил, и значительное воздей-
ствие на них оказывает водородная связь как в растворенном
веществе, так и в растворителе. Например, спектр испускания
флуоресценции пирена в этаноле при 77 К размыт, и это припи-
сывают образованию сетки водородных связей между молеку-
лами растворителя [285]. В гексаноле группы ОН оказывают от-
носительно меньшее влияние по сравнению с углеводородной це-
почкой, и в этом растворителе при 77 К спектр пирена разре-
шается лучше [285]. О ряде интересных примеров влияния заме-
щающих групп в исследуемом веществе сообщают Шигорин и
сотр. [298]. Так, в спектрах фосфоресценции антрахинона в гек-
сане, гептане и октане при 77 К наблюдаются последовательно-
сти резких полос, компоненты которых отделены друг от друга
интервалом 0,166 мкм-1, т. е. частотой полносимметричных коле-
баний группы С = О в основном состоянии. Аналогичная тонкая
структура с той же частотой обнаруживается и в спектрах
p-хлор-, р-метил- и p-аминопроизводных. Но если некоторые за-
местители, в частности ОН, вводятся в a-положение, спектры
364
ГЛАВА IV
становятся размытыми. Этот эффект был объяснен образованием
внутримолекулярной водородной связи:
В то же время такие a-заместители, как СН3, СбН5 и СН3О, по-
чти не меняли спектр [285], хотя некоторая размытость появля-
380 400 420 440 460
Длина волны, нм
Рис. 138. Спектр испускания быстрой флуоресценции 10"4 М раствора
пирена в «-гексане, содержащем 10% циклогексана, при 77 К.
Возбуждение светом 313 нм. Анализирующий монохроматор с кварцевой призмой имел
полуширину полосы 0,38 нм (о,ОО24 мкм""1) при 400 нм.
лась при введении в a-положение атомов галогенов, а в случае
гидроксильной группы размытость возникала даже при введе-
нии в p-положение. Шигорин и сотр. [298] объяснили это меж-
молекулярными водородными связями, которые возникают даже
в разбавленных растворах между молекулами р-оксиантрахино-
СПЕЦИАЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ И ПРИМЕНЕНИЕ
365
на и приводят 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 группы, однако, не
Длина волны, нм
Рис. 139. Спектр испускания быстрой флуоресценции 10“4ТИ раствора пи-
рена в н-гексане, содержащем 10% циклогексана, при 77К.
Возбуждение при 313 нм. Анализирующий монохроматор со стеклянной призмой имел
полуширину полосы 0,17 нм (О.ООН мкм"1) при 400 нм.
Грайсар и Лич [300] показали, что в тех же кристалличе-
ских матрицах, которые используются для получения спектров
Шпольского, можно проводить и фотолиз растворенного веще-
ства. Они применили метод квазилинейчатых спектров для реги-
страции радикальных продуктов фотолиза по их хорошо разре-
шенным спектрам. Например, они провели колебательный ана-
лиз спектра испускания бензильного радикала — продукта фо-
торазложения толуола в матрице моноклинного циклогексана.
366
ГЛАВА IV
Сам толуол испускает в области короче 300 нм, а бензильный
радикал — в сине-зеленой.
Измерения высокоразрешенных спектров Шпольского на фо-
тоэлектрическом спектрометре связаны с серьезными трудно-
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 н-октане использовали
специально сконструиро-
ванный двойной призмен-
ный монохроматор, что
позволило им обнаружить
47 линий из 50, зарегист-
рированных Шпольским
фотографическим мето-
дом, а также 10 добавоч-
ных линий. Большинство
продажных монохрома-
торов из числа исполь-
зуемых в спектрофлуори-
метрах не позволяют пол-
ностью разрешить тонко-
структурные спектры
Шпольского, но их разрешающая сила всё же достаточна для
того, чтобы показать разницу между спектрами, полученными
в стеклообразных растворителях, и спектрами, измеренными
в кристаллических матрицах нормальных парафинов. В ка-
честве примера на рис. 138 показан спектр пирена в кристал-
лической матрице, записанный на том же самом приборе
(двойной монохроматор с кварцевыми призмами) и при той же
ширине щели, что и кривая а на рис. 137. Прибор с одной стек-
лянной призмой разрешает спектр еще лучше (рис. 139), хотя
вследствие поглощения света стеклом коротковолновый участок
спектра срезается. Разрешающая сила обоих приборов оказа-
лась достаточной для того, чтобы выявить влияние алкильных
заместителей на резкость спектра пирена [301]. Так, хотя наи-
более резкие спектры 3-метил- и 3-этилпирена получались в
§
а*
I
о
0$
gg
§i
Е
и
I I I I I i
380 400 420 440 460
Длина волны, нм
Рис. 140. Спектр испускания
флуоресценции 10“4 М раствора
пирена в н-гексайе, содержащем
клогексана, при 77 К.
Возбуждение при 313 нм. Анализирующий моно-
хроматор с кварцевой призмой имел полуширину
полосы 0,38 нм (0,0024 мкм""1) при 400 нм.
быстрой
3-этил-
10% ци-
СПЕЦИАЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ И ПРИМЕНЕНИЕ
367
н-гексане (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%
циклогексана. Был взят циклогексан, который применяют для
приготовления концентрированных «стандартных» растворов ве-
ществ. Дело в том, что если работать с большим количеством
образцов (например, в аналитической практике), то для всех
разбавлений, за исключением последнего, удобно использовать
именно циклогексан, поскольку его высокочистые образцы легко-
доступны, в то время как очистка н-парафинов — сложная и
длительная процедура. Присутствие малых количеств цикло-
гексана на спектры практически не влияет. Однако если спектры
Шпольского измеряются в чистом циклогексане, то необходима
надлежащая «тепловая обработка» замороженной смеси, по-
скольку вид спектра зависит от того, какая из двух возможных
кристаллических форм циклогексана используется — кубическая
или моноклинная. Для полного превращения в форму, устойчи-
вую при 77 К (моноклинную), замороженную смесь перед охла-
ждением нужно подвергнуть тепловой обработке при 145—150 К.
Лич и сотр. [302] использовали флуоресценцию как метод изуче-
ния фазовых превращений циклогексана, в том числе образова-
ния третьей, метастабильной модификации.
Ж. ИЗМЕРЕНИЯ ФОТОЛЮМИНЕСЦЕНЦИИ ПРИ ИЗУЧЕНИИ
НЕОБРАТИМЫХ ФОТОХИМИЧЕСКИХ РЕАКЦИЙ
1. Анализ продуктов фотохимических реакций
Измерение фотолюминесценции — это чувствительный и гиб-
кий метод химического анализа. Поэтому, выбирая метод ана-
лиза для измерения квантовых выходов или идентификации про-
дуктов фотохимической реакции, следует обсудить и возмож-
ность применения фотолюминесценции. Часто при помощи пря-
мых измерений флуоресценции удается следить за расходом ис-
ходного реагента 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 ма-
лых количеств веществ, которые могут быть разделены при по-
мощи, например, тонкослойной или газовой хроматографии.
Такие измерения представляют собой, по сути дела, аналитиче-
ское применение флуоресценции и фосфоресценции и рассма-
триваются в гл. V. В данном разделе мы обсудим некоторые
специфические применения фотолюминесценции в фотохимиче-
ских исследованиях.
368
ГЛАВА IV
2. Тушение флуоресценции
Часто фотохимическая система содержит два вещества, одно
из которых возбуждается при поглощении света, а затем реаги-
рует со вторым веществом.
А (возбужденный) + В -> Продукты. (423)
Одним из; первых возникает вопрос о том, через какое состояние
А — нижнее возбужденное синглетное или триплетное — проте-
кает реакция. Иногда указанием на это может служить значение
концентрации В, при которой достигается заметная скорость
реакции. Если оно меньше 10-4 М, то участие синглетного со-
стояния маловероятно, поскольку скорость будет мала даже в
том случае, когда реакция лимитируется диффузией. Может ока-
заться, однако, что синглетное состояние имеет аномально высо-
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 примера фотореакцию красителя тио-
нина с сульфатом железа (II) в 0,1 н. серной кислоте. Методом
импульсной абсорбционной спектроскопии можно измерить от-
носительный квантовый выход образования первичного продук-
та — семитионина [303]. Было найдено, что максимальное значе-
ние выхода получается при большом избытке сульфата желе-
за (II). Если бы семитионин возникал при реакции Fe2+ с син-
глетным тионином, то его выход достигал бы половины макси-
мального при такой концентрации Fe2+, при которой флуоресцен-
ция потушена на 50%. Было найдено, что выход семитионина
составляет 50% максимального при концентрации Fe2+ около
0,002 М, в то время как для того, чтобы потушить на 50% флуо-
ресценцию тионина, требуется концентрация приблизительно 2А1.
Таким образом, очевидно, что синглетное состояние тионина не-
посредственно в реакции не участвует, по крайней мере при
указанных низких концентрациях сульфата железа(II).
3. Исследование фотохимических реакций
в жестких средах
Фотохимические реакции в твердых стеклах при низких тем-
пературах обычно исследуют при помощи абсорбционной спек-
троскопии. При этом для измерения спектра поглощения про-
дукта нужно накопить его в достаточной концентрации, что тре-
бует сравнительно высокой концентрации реагента и высоких
интенсивностей фильтрованного возбуждающего света. Чтобы
определить квантовую эффективность фоторазложения и кван-
товый выход продукта, необходим монохроматический возбу-
СПЕЦИАЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ И ПРИМЕНЕНИЕ
369

и----1---1--1--1—।—।
2,2 2,0 1,8
Рис. 141. Спектры испускания флу-
оресценции, записанные во время
фотолиза тионина светом 248 нм при
77 К в смеси эфир—пентан—этанол
[305].
/ — после облучения в течение 5 мин;
2 — после облучения в течение 40 мин. Ско-
рость поглощения света 2’10"~5 эйнштейн/
/(л*мин). Длинноволновые максимумы обу-
словлены тионином, а широкие коротко-
волновые — продуктами фотолиза.
монохроматического света раз-
ждающий свет высокой и одинаковой интенсивности в пределах
такой площади реакционного сосуда, которая достаточна для
измерения поглощения. Если измерения проводят при разных
длинах волн, то иногда трудно подобрать источник света, до-
статочно интенсивный для того,
чтобы дать нужный световой
поток через монохроматор. Эти
трудности особенно велики в
случае малых квантовых эф-
фективностей. Далее, при вы-
соких концентрациях вещества
продукты фотолиза могут дей-
ствовать как внутренний
фильтр для возбуждающего
света и приводить к значитель-
ным ошибкам в определении
квантовых эффективностей.
Поэтому люминесцентная
методика, позволяющая опре-
делять очень низкие концент-
рации, имеет значительные
преимущества перед абсорб-
ционной спектроскопией, когда
речь идет об исследованиях
низкотемпературных систем, в
которых реагенты и продукты
часто обладают флуоресцен-
цией или фосфоресценцией. В
этом случае можно брать силь-
но разбавленные растворы, в
которых поглощается лишь
малая доля возбуждающего
света и поэтому эффект внут-
реннего фильтра невелик. Дру-
гим преимуществом является
возможность фокусировать
свет из монохроматора на ма-
лую площадь поверхности
реакционного сосуда, в резуль-
тате чего не составляет труда
получать нужную интенсивност
личных длин волн. Долю реагента, разложившегося в результате
облучения, можно определить непосредственно путем сравнения
интенсивностей флуоресценции (или фосфоресценции) от облу-
ченного участка и соседнего необлученного участка на той же
стороне реакционного сосуда. При низких концентрациях и
370
ГЛАВА IV
освещении под прямым углом 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 смогли 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 того, они за-
писали спектры испускания и возбуждения флуоресценции не-
которых продуктов (рис. 141). Хотя на преимущества этого ме-
тода Паркер и Рис [304] указали еще в 1959 г., он применялся с
тех пор сравнительно редко, по крайней мере для определения
квантовых выходов. Лич [306] применил фотографическую мето-
дику для записи и анализа спектров замороженных радикаль-
ных продуктов — бензила и трифенилметила.
4. Сенсибилизованная замедленная флуоресценция
реагентов и продуктов фотохимической реакции
При сенсибилизации замедленной флуоресценции типа Р мо-
жет происходить перенос сравнительно больших порций энер-
гии возбуждения на малые концентрации акцептора, в резуль-
тате чего иногда происходит быстрое разложение. Так, при об-
лучении растворов антрацена, содержащих 10-8 М нафтацена,
испускается 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 устойчивые фотоди-
меры, а не только синглет-возбужденный акцептор [123]:
3А 4- 3£>< (424)
В аналогичном процессе может расходоваться и антрацен,
если он взят при низкой концентрации [123]:
yzr + ’n
3D + 3Z/ (425)
^2
Чтобы окончательно подтвердить эти механизмы, требуются
тщательные сопоставления квантовых выходов со скоростями
поглощения света.
Если продукт фотохимической реакции флуоресцирует, а его
триплетный уровень расположен' ниже триплетного уровня реа-
СПЕЦИАЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ И ПРИМЕНЕНИЕ
371
гента, то замедленную флуоресценцию продукта можно сенсиби-
лизовать светом, поглощаемым реагентом. В этом случае наблю-
дения замедленной флуоресценции дают чрезвычайно тонкий
способ обнаружения факта протекания фотохимической реак-
ции. Паркер и Хатчард [307] наблюдали этим методом реакцию
I
h
s |
Ц
h
p
J
облучение
при комнат-
приводило к
искажениям
1
I I Г .1____________________________________L—
в растворах бенз-(а)-пирена,
сенсибилизованных к видимо-
му свету хлоргидратом проф-
лавина и содержащих поли-
винилпиридин - N-бутилбромид.
Кратковременное
таких растворов
ной температуре
значительным
спектра замедленной флуорес-
ценции (измеряемого при низ-
кой температуре), хотя коли-
чество разложившегося бенз-
(а)-пирена было недостаточно
для того, чтобы повлиять на
спектр быстрой флуоресценции
(рис. 142, кривые 1 и 2). Та же
фотореакция протекала и в от-
сутствие хлоргидрата профла-
вина, когда раствор облучали
светом, ’поглощаемым бенз-
(а)-пиреном. Измерения интен-
сивности и времени жизни за-
медленной флуоресценции рас-
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 протекает через три-
плетное состояние углеводоро-
да. По мере накопления фото-
продукта усиливалось тушение замедленной флуоресценции бенз-
(а)-пирена (и, следовательно, его триплетов) фотопродуктом, и
скорость реакции уменьшалась. Вероятно, имеется много таких
фотореакций, о существовании которых сейчас и не подозре-
вают, так как уже на ранних стадиях они «выключаются» вслед-
ствие тушения продуктом триплетного состояния реагента. Из-
мерения сенсибилизованной замедленной флуоресценции про-
дукта помогают обнаружить эти реакции на самых ранних ста-
диях, пока еще не произошло их полное «выключение».
400 440 480
Длина волны, нм
142. Замедленная флуоресцен-
“6 М бенз-(а)-
солянокислого
М (в пересчете
Рис.
ция не содержащих кислорода эта-
нольных растворов 10'
пирена, 8 • 10“6 М
профлавина и 10“4
на мономер) поливинилпиридин-Ы-бу-
тилбромида [307].
Возбуждение светом 436 нм. Температура
—75° С. 1 — до облучения; 2 — после облу-
чения в течение 80 с при 20° С. Доза по-
глощенного света 10“4 эйнштейн/л. Спектры
быстрой флуоресценции, возбуждаемой при
366 нм, для обоих растворов были одина-
ковы и совпадали с кривой 1.
372
ГЛАВА IV
3. ПРИМЕНЕНИЕ ПОЛЯРИЗАЦИОННЫХ ИЗМЕРЕНИЙ
1. Определение времени вращательной релаксации
Для сферической молекулы зависимость поляризации от вре-
мени вращательной релаксации выражается уравнениями (55)
или (56) (раздел I, Г, 6). Использовав формулу (57), получаем
(7ЧН^>+^)- ™
Таким образом, если поляризация и вязкость раствора измерены
в интервале температур, в котором изменения т малы (как это
имеет место для многих веществ с высокой эффективностью
флуоресценции при комнатной температуре, см. раздел И, Б, 5),
то график зависимости 1/р от Т/х\ будет представлять собой пря-
мую линию с наклоном (1/PoHF и отсечением 1/р0. Сле-
довательно, из этих данных можно определить как pQ (при этом
не обязательно проводить измерения при очень низких темпе-
ратурах), так и молярный объем V. Если т сильно зависит от
температуры (например, в случае 7\ ->50-фосфоресценции в
жидких средах), то для получения прямой линии по оси абсцисс
нужно откладывать величину тТ/т]. Большинство молекул не
являются строго сферическими, но обычно и для них график за-
висимости l/р от Т/т) представляет собой достаточно хорошую
прямую, из которой можно найти эффективный молярный
объем V [308].
Диапазон температур и вязкостей, в котором происходят за-
метные изменения поляризации, определяется отношением
ЦТх/Уц. 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-
го, чтобы его можно было измерить. При малых т и Т в сильно
вязких растворителях р будет практически постоянным и рав-
ным р0. Поэтому полезно выяснить, какими могут быть значения
р при разных условиях и какие значения четырех параметров
(Т, т, V, т]) дают поляризации, заметно отличающиеся от р0 и от
нуля. В табл. 43 приведены некоторые данные для типичной «ма-
лой» флуоресцирующей молекулы, имеющей молярный объем
порядка 500 см3 (флуоресцеин), и для большой полимерной мо-
лекулы с V = 5-104 см3 (белок). Времена жизни соответствуют
флуоресценции (10-8 с) и фосфоресценции (10-2 с).
В диапазоне от +20 до —100° С поляризация флуоресценции
(т = 10-8 с) малых молекул в растворителях низкой вязкости
изменяется от низких значений до высоких, и, следовательно,
СПЕЦИАЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ И ПРИМЕНЕНИЕ
373
этот интервал температур удобен (например, в случае этаноль-
ных растворов) для определения К Для полимеров этот диапа-
зон желательно увеличить за счет температур выше комнатной.
Таблица 43
Поляризация при разных вязкостях и температурах а
Растворитель Темпера- тура, °C Т1/7 Поляризация (р)
малые молекулы, V = 500 большие молекулы, V = 5-104
т=10“8 Т= 10“2 т== 10“8 т= Ю"2
Вода 20 3,4-10"’ 0,006 <0,001 0,215 <0,001
Этанол -98 2,5- 10~3 0,191 <0,001 0,331 <0,001
Г лицерин 20 5,1 • 10 0,322 <0,001 0,333 0,001
» 0 0,44 0,332 <0,001 0,333 0,008
-42 2,9 • 102 0,333 0,045 0,333 0,313
а Принято, что Р 8= 0 и используется неполяризованный возбуждающий свет, т. е.
1/р == 3 + (3,333 ЯТЧ/Гп).
Метод применялся главным образом для определения разме-
ров больших молекул, например белков. Обычная процедура со-
стоит в обработке белка флуоресцирующим реагентом, необра-
тимая реакция с которым дает флуоресцирующую полимерную
молекулу. Нужные реагенты чаще всего получают, вводя изо-
цианатные, изотиоцианатные или сульфохлоридные группы в
обычные флуоресцирующие соединения. Хорошо взаимодей-
ствуют с белком, например, изоцианаты флуоресцеина, рода-
мина Б и антрацена. Флуоресцирующие изоцианаты необратимо
реагируют со свободными амино- или сульфгидрильными груп-
пами белка. Очевидно, что и реагенты 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 конъюгатов
белков близки к временам жизни простых флуоресцирующих мо-
лекул. Подробные данные о методике и ее применении можно
найти в обзоре [308].
Что касается вращательной деполяризации фосфоресценции,
то она использовалась сравнительно мало. Ввиду большого вре-
мени жизни фосфоресценции ее деполяризация проявляется при
гораздо больших вязкостях, чем деполяризация флуоресценции
(ср., например, четвертый и пятый столбцы табл. 43). Если из-
вестны время жизни и молярный объем фосфоресцирующих мо-
лекул, то в принципе по деполяризации фосфоресценции можно
374
ГЛАВА IV
измерить вязкость в области ее высоких значений, где примене-
ние других методов затруднено. Если фосфоресцирующее веще-
ство растворить в полимере и использовать в качестве метки, то
по деполяризации можно определить микроскопическую вяз-
кость. В исследованиях этого типа полезно измерять и поляриза-
цию флуоресценции, поскольку некоторые полимеры с высокой
макроскопической 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 этого обратимого процесса.
Таким способом Велик [310] 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
Штерна — Фольмера [уравнение (73)]. Однако точно такая же
зависимость получается и в тех случаях, когда тушитель обра-
зует с флуоресцентной молекулой нефлуоресцирующий комплекс,
но сам по себе не тушит возбужденное состояние не связанной
в комплекс молекулы (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 определения времени жизни и поэтому по-
зволяют выяснить, какой из двух механизмов тушения имеет
место [312].
3. Определение ориентации
Как мы видели в разделе I, Г, 5? в отсутствие деполяризации
предельная поляризация р0 зависит [в соответствии с уравне-
ниями (53) и (54)] от угла £ между направлениями переходных
моментов для поглощения и испускания. Поэтому можно ожи-
дать, что поляризация спектра возбуждения флуоресценции бу-
дет постоянной в пределах любой отдельной полосы поглощения,
СПЕЦИАЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ И ПРИМЕНЕНИЕ
375
но резко изменяется в области перекрывания двух полос погло-
щения, соответствующих переходам с разными значениями 0.
Примером простого поляризационного спектра может служить
спектр крезола, полученный Вебером [215]. Он обнаружил, что в
полосе поглощения при 275 нм поляризация достигает макси-
мального значения около 0,22, а в области полосы 235 нм па-
дает до —0,065. Использовав уравнение Яблонского [уравнение
(54), возбуждение естественным светом], Вебер получил для пе-
реходов при 275 и 235 нм значения cos2 0, равные 0,185 и 0,78
(их сумма приблизительно равна единице), и пришел к выводу,
что переходные моменты на-
правлены под прямым углом
друг к другу.
Многие поляризационные
спектры гораздо сложнее, чем
спектр крезола, и в них часто
проявляется несколько пере-
ходов, полосы поглощения ко-
торых перекрываются. В каче-
стве примера на рис. 143 по-
казан спектр 9-аминоакридина,
полученный Цанкером и Вит-
твером [313], а. также (при по-
мощи автоматического поля-
ризационного спектрофлуори-
метра) Эйнсуортом и Винте-
ром [211].
Адзуми и Мак-Глинн [64]
измерили поляризационные
спектры флуоресценции фе-
нантрена, а также зависимость
степени поляризации от дли-
-0.3_____।।।--------------1---1----
210 240 270 300 330 360 390 420
Длина волны, нл*
Рис. 143. Поляризация спектра
возбуждения флуоресценции ка-
тиона 9-аминоакридина в пропи-
ленгликоле при —70° С [211].
Ширина полосы возбуждения 3 нм, ши-
рина полосы испускания 33 нм.
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 могут ока-
зать поляризационные измерения при анализе колебательной
структуры полос.
4. Перенос энергии
Первые указания на перенос энергии синглетного возбужде-
ния между молекулами в растворе были получены именно при
исследовании поляризации флуоресценции (см. разделы I, Г, 7 и
II, Б, 6). При диполь-дипольном переносе энергии измерения за-
висимости поляризации от концентрации флуоресцирующего
376 ГЛАВА IV
вещества можно использовать для определения критического
расстояния переноса [66].
Но возможны применения и более тонких поляризационных
эффектов. Так, Вебер [314] обнаружил, что белки, содержащие
фенилаланиновые и тирозиновые остатки, но не содержащие
триптофановых остатков (т. е. белки, имеющие спектр испуска-
ния флуоресценции, характерный для тирозина), дают поляриза-
ционный спектр, подобный спектру тирозина или крезола, однако
значения предельной поляризации будут ниже, чем у простых
молекул. Вебер пришел к выводу, что в пределах одной и той
же белковой молекулы происходит перенос энергии между тиро-
зиновыми остатками.
ПРИМЕНЕНИЕ В АНАЛИТИЧЕСКОЙ ХИМИИ
Глава V
А. ОБЩИЕ ЗАМЕЧАНИЯ
1. Введение
Еще в прошлом веке флуоресценцию использовали в каче-
стве метода грубой идентификации веществ. Так, при описании
новых органических соединений наряду с такими свойствами,
как цвет, форма кристаллов и др., часто упоминали способность
к испусканию видимой флуоресценции. В течение многих лет
широко пользовались качественной регистрацией видимой флуо-
ресценции как невооруженным глазом, так и с помощью
фотографии или микроскопа; этот метод в руках опытного спе-
циалиста и до сих пор еще служит мощным инструментом в
криминалистике, медицине и биологии, а также при определе-
нии примесей и .браковке материалов, при детектировании хро-
матографических зон и т. д. [315]. Приблизительно до 1945 г. ко-
личественная флуориметрия оставалась, по мнению некоторых
исследователей, ненадежным методом, хотя она и применялась
довольно широко во многих областях. Это объясняется недо-
статочным вниманием к основным принципам флуориметрии и
отчасти отсутствием соответствующего оборудования.
Еще в 1935 г. Цшайле [316] применил для измерения спект-
ров флуоресценции хлорофиллов а и b фотоэлектрический спек-
трофотометр, а в 1943 г. описал усовершенствованный прибор
с вакуумным рубидиевым фотоэлементом [317]. С появлением
чувствительных фотоумножителей фотоэлектрическая регистра-
ция спектров флуоресценции оттеснила на второй план менее
чувствительную фотографическую запись, которая к тому же ме-
нее удобна и не столь точна. Начиная с этого периода и вплоть
до 1955 г. 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
легко может получить автоматическую запись полного спектра
флуоресценции и возбуждения. При правильном применении та-
кие измерения фотолюминесценции являются мощным методом
химического анализа, как качественного, так и количественного,
378
ГЛАВА V
причем часто характеризующегося очень высокой чувствитель-
ностью. Однако, подобно всем инструментальным методам, изме-
рение фотолюминесценции будет успешным лишь в том случае,
если образец приготовлен правильно и с учетом основных прин-
ципов методики. Одна из главных задач этой главы 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-
даментальные принципы фотолюминесценции, рассмотренные в
предыдущих главах, поэтому рекомендуем познакомиться пре-
жде всего с ними, особенно с содержанием гл. I и III.
2. Сравнение фотолюминесценции с другими
аналитическими методами
Для того чтобы должным образом оценить аналитические
фотолюминесцентные методы, следует коротко остановиться на
их преимуществах и недостатках по сравнению с другими ана-
литическими методами. Главным преимуществом фотолюминес-
центного метода, возможно, является его высокая чувствитель-
ность, близкая в некоторых случаях к чувствительности радио-
химических методов, что дает возможность применять его для
решения многих проблем анализа малых количеств: например,
определение следов загрязнений или примесей, нахождение глав-
ных компонентов при анализе чрезвычайно малых количеств ве-
щества. Однако в области неорганической химии с фотолюминес-
ценцией может конкурировать ряд других мощных методов. Так,
при помощи масс-спектрометрии или эмиссионной спектромет-
рии можно одновременно определять несколько десятков элемен-
тов при их низких концентрациях, и, по-видимому, в этом случае
нецелесообразно применять фотолюминесцентный метод, по са-
мой своей природе требующий отдельных процедур для каждого
элемента или группы из нескольких элементов. С другой сто-
роны, для ряда элементов в некоторых конкретных случаях фо-
толюминесцентные методы наиболее чувствительны и удобны.
Каждую проблему необходимо четко сопоставлять с возможно-
стями, имеющимися в руках химика-аналитика.
В области анализа органических соединений фотолюминес-
ценция имеет меньше конкурентов, особенно если речь идет об
определении малых количеств. Помимо высокой чувствительно-
сти, метод имеет и то преимущество перед абсорбционной спектро-
метрией, что он дает не один, а два, а иногда и четыре спектра
в качестве основы для идентификации (спектры испускания и
возбуждения как флуоресценции, так и фосфоресценции). Из-
вестно, что для возникновения флуоресценции или фосфоресцен-
ции вещество должно поглотить свет, но не каждое поглощаю-
ПРИМЕНЕНИЕ В АНАЛИТИЧЕСКОЙ ХИМИИ
379
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 предварительного отделения от других
веществ, не люминесцирующих вовсе или люминесцирующих в
иных спектральных областях. С другой стороны, нелюминесци-
рующее вещество при необходимости без особого труда можно
превратить в люминесцирующее. Однако надо иметь в виду, что
лишь в редких случаях наличие спектра люминесценции оказы-
вается достаточным для идентификации неизвестного ранее ор-
ганического соединения, тогда как в сочетании с другими мето-
дами, такими, как инфракрасная спектроскопия, масс-спектро-
метрия и ядерный магнитный резонанс, люминесцентный метод
дает четкую картину, конечно при условии, что имеется доста-
точное количество чистого образца.
Сказанного в этом разделе достаточно, чтобы предостеречь
от случайного, необдуманного применения люминесцентных ме-
тодов без учета возможностей других методов. Правильно вы-
брать подходящие аналитические методы для работы лучше все-
го помогает опыт, однако описание применения фотолюминесцен-
ции, данное ниже, также будет способствовать этому.
3. Классификация фотолюминесцентных 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
этого. Из них наиболее важны быстрая флуоресценция и фосфо-
ресценция, причем они могут применяться двумя способами. Во-
первых, в определенных условиях можно измерить собственную
флуоресценцию (фосфоресценцию) вещества, подлежащего оп-
ределению, если необходимо, после предварительного отделения
его от веществ, мешающих определению. Мы назовем такие ме-
тоды «естественными». Во-вторых, если определяемое вещество
не люминесцирует или если его люминесценция лежит в спек-
тральной области, недоступной по техническим причинам или ма-
скируемой свечением других компонентов образца, его можно
превратить химическим путем в люминесцирующее вещество.
Эти методы классифицируются как «химические».
Рассмотрение основных процессов, связанных с возникнове-
нием фотолюминесценции (гл. I), показывает, что фотолюминес-
ценция должна наблюдаться для таких групп соединений, моле-
кулы которых содержат системы л-электронов. В алифатическом
ряду выбор ограничивается высокосопряженными соединениями,
такими, как витамин А, или некоторыми дикарбонильными со-
единениями, как, например, диацетил. Несомненно, наибольшее
Методы люминес
Название Способ применения Определяемые вещества Наиболее подходя щее состояние вещества
Быстрая флуорес- ценция Естественный л* — л-Органические Жидкое Стеклообразное
Некоторые неорганиче- ские Твердое Адсорбированное
Химический Многие типы органиче- ских и неорганических Жидкое Стеклообразное Адсорбированное
Тушение Главным образом ки- слород Жидкое
Различные органические Адсорбированное
Фосфоресценция Естественный л* — л-Органические Стеклообразное
л* — л-Органические Твердое
Некоторые неорганиче- ские Адсорбированное
Химический Многие типы Стеклообразное Адсорбированное
Тушение Главным образом ки- слород Жидкое
Различные органические Адсорбированное
Замедленная флу- оресценция Сенсибилиза- ция трипле- тами л* — л-Органические Соединения редкозе- мельных элементов Жидкое
Тушение Г лавным образом ки- слород Жидкое Адсорбированное
Внутримолекуляр- ный перенос энергии (флу- оресценция или фосфоресцен- ция) Химический Соединения редкозе- мельных элементов Жидкое Стеклообразное
Таблица 44
центного анализа
Чувствительность Специфичность Точность
Высокая Умеренная Очень высокая
Часто ограничена фоном Высокая Умеренная
Умеренная Иногда очень высокая Низкая
Часто ограничена фоном Умеренная »
Обычно ограничена фоном Умеренная или высокая Очень высокая
» » » » » » Умеренная
» » » » » » Низкая
Низкая Низкая Умеренная
Умеренная Низкая
Высокая Высокая Умеренная
Умеренная Иногда очень высокая Низкая
Часто ограничена фоном Умеренная »
Имеется лишь несколько п римеров применения для кол ичественного анализа
Очень высокая Низкая Умеренная
» Низкая
Высокая Высокая
Очень высокая Низкая Умеренная
» Низкая
Умеренная Очень высокая Очень высокая
Умеренная
382
ГЛАВА V
число люминесцирующих соединений относится к ароматиче-
скому и гетероциклическому рядам. Обычно быстрая флуорес-
ценция становится заметной при выполнении еще одного усло-
вия: самое низкое возбужденное синглетное состояние должно
быть л* — л-типа, как показано в третьем столбце табл. 44 (см.
раздел I, Б, 6). Фосфоресценцию можно наблюдать, когда наи-
низшей энергией обладают либо л* —л-, либо л* — п-возбу-
жденные синглетные состояния. Лишь некоторые неорганические
ионы люминесцируют в растворе, поэтому для них часто ис-
пользуют химический метод, состоящий в связывании иона ор-
ганическим реагентом с целью получения флуоресцирующего
соединения. Химическим путем можно превращать во флуорес-
цирующие продукты и нефлуоресцирующие органические соеди-
нения. В обоих случаях этими продуктами почти всегда являются
ароматические или гетероциклические соединения, однако иногда
истинная природа последних неизвестна. Хотя к настоящему
времени разработаны лишь немногие 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 всегда очень незначительна, и для аналитиче-
ских целей лучше всего иметь вещество в стеклообразном или
кристаллическом растворе (при низкой, а иногда даже при ком-
натной температуре) или в адсорбированном состоянии.
В трех последних графах 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 многое зависит как от харак-
тера определяемого вещества, так и от других факторов, связан-
ных с методом определения. Например, однородность жидких
растворов способствует высокой точности, тогда как замерзание
последних при низкой температуре может приводить к ошибкам,
обусловленным изменение^м показателя преломления и даже
пропускания кюветы, если образец погружен в жидкий азот.
Аналогично фронтальное освещение твердых растворов вносит
ошибку, обусловленную геометрическим выравниванием. В свою
очередь величина фона, по-видимому, лимитирует чувствитель-
ность одних методов в большей степени, чем других. Мы не оста-
навливаемся здесь на трех последних графах табл. 44, но чита-
телю, возможно, будет полезно вернуться к ним при более
детальном обсуждении рассматриваемых методов.
Методы тушения, как правило, находят ограниченное при-
менение, так как они в значительной степени неспецифичны. Од-
ПРИМЕНЕНИЕ В АНАЛИТИЧЕСКОЙ ХИМИИ
383
нако в некоторых случаях, например при определении кисло-
рода, они все же используются, поэтому включены в табл. 44.
Последние два метода, упомянутые в табл. 44 — сенсибилизо-
ваннная замедленная флуоресценция и внутримолекулярный пе-
ренос энргии, который по сути дела является частным случаем
химического метода^будут рассмотрены в соответствующих раз-
делах.
В табл. 44 не включены другие типы фотолюминесценции —
сенсибилизованная фосфоресценция, рекомбинационная фосфо-
ресценция и замедленная рекомбинационная флуоресценция.
Это обусловлено, во-первых, тем, что ни один из этих типов не
нашел аналитического применения. Во-вторых, системы, в кото-
рых проявляются названные типы фотолюминесценции, гораздо
легче можно проанализировать с помощью других методов.
Б. ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТЬ
1. Значение термина «чувствительность»
Термин «чувствительность» может иметь в люминесцентном
анализе три различных смысла:
1) Он может относиться к качествам определенного прибора,
используемого для определенной цели. Такую характеристику
мы назовем «чувствительностью прибора». Определить ее мож-
но, например, выразив минимально обнаружимое отношение
сигнала к шуму через соответствующую концентрацию опреде-
ленного стандартного вещества, люминесценция которого изме-
ряется при строго стандартизованных условиях.
2) Далее, термин «чувствительность» может относиться к
данному веществу в определенном растворителе независимо от
того, на каком приборе измеряется его люминесценция. Эту ха-
рактеристику можно определить по-разному, но в основе любого
определения будут лежать параметры люминесценции данного
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 люминесцирующего вещества, но часто и от суммар-
ного «фона» люминесценции. Эту характеристику мы назовем
«общей чувствительностью аналитического метода».
Казалось бы, излишне подчеркивать различие между «чув-
ствительностью прибора» и «чувствительностью метода», однако
нечеткре понимание этого различия приводит к тому, что часто
публикуются весьма нелепые заключения о чувствительности
того или иного метода анализа. Рассмотрим простой пример —
сравнение чувствительности двух приборов: спектрофлуориметра
384
ГлАвА V
и флуориметра с фильтрами [131] (табл. 45). Система с филь-
трами имеет гораздо большую светосилу, чем небольшой моно-
хроматор. Поэтому для флуориметра с фильтрами чувствитель-
Таблица 45
Сравнение „чувствительности приборов"
Метод выделения флуоресценции Чувствитель- ность прибора (эквивалент- ная концен- трация бисуль- фата хинина, мкг/мл) Фон флуо- ресценции (эквивалент- ная концен- трация бисуль- фата хинина, мкг/мл)
Малый кварцевый моно- 0,0002 0,0006
хроматор (ширина по- лосы 30 нм)
Стеклянный фильтр 2-10-в 0,0023
Примечание. Поток возбуждающего света
3*10“ 9 эйнштейн/с при 366 нм. Приемник в обоих случаях —
9-каскадный фотоумножитель. Чувствительность прибора
соответствует той концентрации бисульфата хинина, которая
нужна для того, чтобы сигнал был равен шуму, отвечаю-
щему флуктуациям темнового тока.
ность прибора (выраженная через эквивалентную концентрацию
бисульфата 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 чувствительность метода определения бисульфата хи-
нина лимитируется именно величиной и постоянством этого 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 2-10“6 мкг/мл», может
лишь ввести в заблуждение. Из табл. 45 следует, что в данных
условиях нужно предпочесть прибор меньшей чувствительности,
поскольку у него 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 (гл. III):
ПРИМЕНЕНИЕ В АНАЛИТИЧЕСКОЙ ХИМИИ
385
Тип источника света.
Светосила монохроматора возбуждения.
Светосила анализирующего монохроматора.
Установка монохроматоров по длине волны и ширине по-
лосы.
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. гл. III). В режиме высокой чувстви-
тельности скорость движения пера самописца будет зависеть
от постоянной времени усилительно-регистрирующей системы в
целом (см. раздел. Ill, Н, 6), поэтому минимальный сигнал лю-
минесценций будет определяться скоростью записи. Обычно по-
стоянная времени самописцев с записью на бумажной ленте со-
ставляет примерно I с. Следовательно, спектры люминесценции
жидких растворов можно записать за несколько минут, причем
без потерь в разрешении. Чтобы записать с хорошим разреше-
нием спектры Шпольского (см. раздел IV, Е, 5), скорость ре-
гистрации следует уменьшить. С другой стороны, при измерении
малых времен жизни могут потребоваться постоянные времени
порядка 0,1 мс и ниже (раздел III, Н, 6), и чувствительность
прибора при этом сильно уменьшается.
В данной книге под чувствительностью прибора мы будем
понимать такую концентрацию стандартного вещества, которая
нужна, чтобы дать отклонение пера самописца, равное откло-
нению, обусловленному суммарными флуктуациями темнового
тока, при постоянной времени регистрирующей 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 регист-
рации. Эффективность блока возбуждения можно характеризо-
вать световым потоком, падающим на образец (измеряется фер-
риоксалатным актинометром, см. раздел III, Е, 2), и чистотой
спектра. Эти характеристики зависят от типа источника света
и фг ширины полосы монохроматора возбуждения. Очевидно,
что при выделении одной из основных линий ртутной лампы до-
стигается гораздо большая интенсивность света и лучшая чи-
стота спектра, чем при выделении участка из сплошного спектра,
например, ксеноновой лампы. Это означает, что спектры ис-
пускания можно измерять при гораздо большей чувствитель-
ности прибора, чем при записи спектров возбуждения. Очевидно
также, что очень важно правильно выбрать длину волны
386
ГЛАВА V
возбуждающего света. Например, при 250 нм коэффициент пога-
шения раствора антрацена примерно в 80 раз больше, чем при
366 нм, и при возбуждении ртутной лампой высокого давления
это увеличение «абсолютной чувствительности» дает выигрыш,
несмотря на меньшую интенсивность излучения при 250 нм. Пе-
реход от 366 к 250 нм, однако, не дает никакого выигрыша
в случае ксеноновой лампы, если только не расширить при этом
щель на монохроматоре возбуждения. Что касается анализи-
рующего монохроматора, то в этом случае чувствительность
прибора будет зависеть от его ширины полосы и спектральной
области люминесценции.
Пример указания «чувствительности прибора» для одного
конкретного случая приведен в табл. 46. Данные относятся
к условиям измерения спектра, приведенного на рис. 151 (см.
Таблица 46
Способ указания «чувствительности прибора»
Источник света
Монохроматор возбуждения
Установка по длине волны
Полуширина полосы
Световой поток (без прерывателя)
Способ освещения
Анализирующий монохроматор
Установка по длине волны
Полуширина полосы
Фотоумножитель
Постоянная времени
Чувствительность прибора
Ртутная лампа сверхвы-
сокого ’ давления
(200 Вт) •
Решеточный, светосила
0,26 (с хлорным и ОХ7
фильтрами)
250 нм
9,6 нм
1,6* 10“9 эйнштейн/с
Под прямым углом, кю-
вета 1 смХ 1 см
Решеточный, светосила
0,30
400 нм
3,3 нм
E.M.I 9558 Q х
1 с '
Концентрация антрацена
в спирте 10“11 мкг/мл
раздел V, В). Такие детальные сведения редко приводятся в
литературе; обычно указывается «минимальная обнаружимая
концентрация» бисульфата хинина при постоянной щели на
двух монохроматорах. Для некоторых целей указанные данные
могут оказаться достаточными, но они вряд ли помогут, если
нас интересует совершенно другая спектральная область.
В тех случаях когда 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-
ПРИМЕНЕНИЕ В АНАЛИТИЧЕСКОЙ ХИМИИ
387
мерении рамановского спектра соответствующего растворителя
в кювете толщиной 1 см (см разделы I, Д, 7 и V, В, 1). Многие
спектрофлуориметры способны разрешать (частично или пол-
ностью) главную полосу рамановского спектра циклогексана
(смещение волнового числа 0,29 мкм-1) при возбуждении в об-
ласти 350 нм. Более строгий способ состоит в разрешении рама-
новской полосы четыреххлористого углерода (сдвиг частоты
0,07 мкм"1) от полосы рассеянного возбуждающего 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 гораздо труднее, и разрешение
полосы четыреххлористого углерода этим способом до сих пор
не описано. Следует отметить, что, в то время как освещение
небольшой кюветы под прямым углом приемлемо при измере-
ниях спектров люминесценции, где эффект внутреннего фильтра
должен быть сведен к минимуму, такая геометрия далека от
идеальной при регистрации рамановских спектров, для которых
наблюдаемый оптический путь через жидкость должен быть
как можно длиннее.
3. Абсолютная чувствительность
Термин «абсолютная чувствительность» относится к конкрет-
ному веществу при определенных условиях, и выражать его
лучше всего в форме, не зависящей от прибора, используемого
для измерения. Интенсивность быстрой флуоресценции или
фосфоресценции, испускаемой разбавленным раствором одного
вещества, освещаемого светом определенной длины волны, про-
порциональна Лефе [см. уравнение (21)]. Произведение 8ф 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 ф не зависит от длины волны
возбуждающего света, максимум абсолютной чувствительности
совпадает с максимумом наиболее интенсивной полосы погло-
щения, хотя получаемая на данном приборе чувствительность
не обязательно будет максимальной в этой точке, так как ин-
тенсивность возбуждающего света при другой длине волны мо-
жет быть значительно больше. Чтобы рассчитать практическую
единицу чувствительности, Паркер и Рис [158] предложили вы-
ражать е как оптическую плотность образца толщиной 1 см при
концентрации 1 мкг/мл (=£>х). Тогда абсолютная чувствитель-
ность ф£>х выразится в мл/мкг. Несколько значений максималь-
ной абсолютной чувствительности, выраженной таким образом,
приведены в шестом столбце табл, 47. Чувствительность при лю-
Раствор Максимум поглощения, мкм-1 (нм) Максимум флуоресцен- ции, мкм 1 (нм) Полуширина полосы флуоресцен- ции (Я), мкм”"1
Бисульфат хинина в 0,1 н. H2SO4 4,00 (250) 2,17(461) 0,47
Родамин Б в этаноле 1,84 (544) 1,75(571) 0,17
Флуоресцеин в 0,1 н. NaOH 2,04 (490) 1,94(515) 0,20
Эозин в 0,1 н. NaOH 1,93(518) 1,85(540) 0,18
Антрацен в этаноле 3,97 (252) 2,50 (400) 0,25
Тионин в 0,1 н. H2SO4 1,67'(598) 1,61 (621) 0,18
ф Чувствительность флуоресценции при максимуме поглощения (^макс) Показатели чувств'итель- ности флуоресценции
при макси- муме поглощения (Ч’^макс/") при 366 нм ДОзвб/Н)
0,55 0,031 0,066 0,0073
0,73 0,16 0,94 0,052
0,85 0,20 1,0 0,015
0,23 0,035 0,19 0,0031
0,30 0,34 1,4 0,012
0,024 0,0056 0,031 0,00028
ПРИМЕНЕНИЕ В АНАЛИТИЧЕСКОЙ ХИМИИ
389
бой другой длине волны возбуждения может быть рассчитана
из максимальной величины отнесением ее к спектру поглощения
(или, что более точно, к исправленному спектру возбужде-
ния).
Когда люминесценцию выделяют не фильтром, а монохро-
матором, то обычно не используют полный спектр испускания,
а выбирают узкую полосу длин волн вблизи максимума. Тогда
абсолютная чувствительность будет зависеть не только от про-
изведения но также и от эффективной полуширины полосы
Н (равной площади, деленной на высоту максимума). Поэтому
для сравнения веществ целесообразно ввести величину qD^JH
(показатель чувствительности флуоресценции). В седьмом и
восьмом столбцах табл. 47 этот параметр приведен как для мак-
симума поглощения, так и для линии ртути 366 нм. Очевидно,
что в последнем случае абсолютная чувствительность много ни-
же, чем в первом. Однако длину волны 366 нм часто исполь-
зуют, поскольку ее легко выделить, притом с высокой интенсив-
ностью; это, а также ряд других обстоятельств иногда 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 флуориметрического оп-
ределения селена его превращают в 4,5-бензопиазселенол [327]
или в 3,4-диаминофенилпиазселенол [328]. Показатель чувстви-
тельности флуоресценции при 366 нм для первого соединения
(yDsee/H = 0,12 в циклогексане) более чем в 20 раз выше, чем
для второго (срДзвб/# = 0,0045 в толуоле), и, таким образом,
уже на основании этого видны значительные преимущества ис-
пользования первого соединения.
Показатель абсолютной чувствительности флуоресценции
используется также для предсказания возможной чувствитель-
ности определенного 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 X
390
ГЛАВА V
или 0,023 от его чувствительности по отношению к бисульфату
хинина. Рассмотрение спектра поглощения тионина показывает,
что чувствительность можно увеличить более чем в 100 раз,
если перейти к длине волны возбуждения, соответствующей мак-
симуму поглощения тионина. Естественно, что окончательный
выбор длины волны возбуждения будет зависеть от других
факторов, таких, как интенсивность источника возбуждения и
характеристики других 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. Многие исследова-
тели избегают этого, непосредственно измеряя максимумы длин
волн возбуждения и испускания на своем приборе и регистри-
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 прибором и источником света. Однако
всегда имеет смысл проверить, не даст ли лучших результатов
некоторая/ модификация прибора, скажем замена источника све-
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-
того вещества в отсутствие всех мешающих определению факто-
ров. Фактическая чувствительность, которая достигается на
практике, т. е. общая чувствительность метода, может быть
гораздо ниже.
4. Чувствительность метода
Интенсивность флуоресценции или фосфоресценции, испус-
каемой раствором, прямо пропорциональна интенсивности воз-
буждающего света и общей чувствительности регистрирующей
системы. Поэтому, увеличивая мощность или эффективность
источника возбуждения, можно, казалось бы, неограниченно улуч-
шать метод, т. е. уменьшать предельно обнаружимую концент-
рацию раствора. Однако ниже определенной концентрации
повышается роль других факторов, которые ограничивают воз-
можности метода, и увеличение чувствительности прибора при
этих условиях не дает результатов. Лимитирующим фактором мо-
гут быть фотохимические реакции или (чаще) свет, попадаю-
щий в приемник не от исследуемого люминесцирующего раст-
вора, а от посторонних источников, т. е. величина суммарного
фона. Возникновению люминесцентного фона может способство-
вать ряд следующих факторов, связанных как с прибором, так ц
q анализируемым образцом;
ПРИМЕНЕНИЕ В АНАЛИТИЧЕСКОЙ ХИМИИ
391
Рамановское испускание растворителя.
Люминесценция кюветы и окружающего пространства.
Рассеянный свет.
Люминесцирующие примеси, содержащиеся в растворителе
или реагентах.
Люминесценция других компонентов образца.
Каждый из этих факторов мы обсудим отдельно в разделе V, В,
здесь же рассмотрим в общих чертах, каким образом наличие
фона люминесценции ограничивает чувствительность метода и
какие виды измерений лимитируются фоном, а какие — прибо-
ром.
Если величина фона больше, чем отношение электрического
сигнала к шуму для самой определяемой системы, то, очевид-
но, чувствительность метода будет зависеть от способности об-
наруживать слабый дополнительный сигнал, наложенный на
сигнал фона. По сути дела фон создает новый источник «шума»,
и величина этого «шума» будет зависеть от точности, с которой
фон может воспроизводиться от опыта к опыту. Если, напри-
мер, фон обусловлен главным образом рамановским испуска-
нием растворителя, то его можно воспроизвести с точностью до
нескольких процентов; в этом случае вполне возможно запи-
сать люминесценцию, уровень которой составляет всего лишь
10—20% соответствующей величины для фона. С другой сто-
роны, если метод включает ряд химических процедур выделения
определяемого образца и (или) получения из него люминесци-
рующего соединения, то фон может значительно меняться от
опыта к опыту. При таких обстоятельствах минимальное зна-
чение сигнала люминесценции может несколько превышать сред-
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, когда чувствительность метода все же
лимитируется прибором. Это возможно, например, если на од-
ном из монохроматоров должны быть очень узкие щели, чтобы
получить высокое разрешение (в частности, при измерении не-
которых спектров Шпольского), или если спектры возбуждения
необходимо измерить в области, где интенсивность сплошных
источников низка, например ниже 250 нм. Методы, в которых
используется люминесценция в близкой инфракрасной области,
вероятно, также лимитируются прибором из-за низкой чувстви-
тельности детекторов в этой области.
Следует отметить, что некоторые методы, связанные с из-
мерением сильно люминесцирующего соединения, присутствую-
щего в образце в виде существенной составной части, могут
392
ГЛАВА V
быть лимитированы прибором. Это наблюдается, когда люми-
несцирующему соединению сопутствуют сильно поглощающие
вещества в высокой концентрации. Следовательно, для получе-
ния приемлемых результатов нужно разбавить раствор на-
столько, чтобы общая оптическая плотность при всех рассмат-
риваемых длинах волн была незначительной; при этом концент-
рация люминесцирующего вещества может оказаться столь
низкой, что будет трудно измерить его спектр возбуждения
в коротковолновой области.
В. ФАКТОРЫ, СПОСОБСТВУЮЩИЕ ПОЯВЛЕНИЮ
ЛЮМИНЕСЦЕНТНОГО ФОНА
1. Спектр комбинационного рассеяния растворителя
Природа эффекта Рамана была рассмотрена в разде-
лах I, Д, 5—7, где описывались спектры комбинационного рас-
сеяния некоторых растворителей, обычно применяемых в спек-
трофлуориметрии (см. рис. 22). Полоса комбинационного рас-
сеяния всех растворителей с водородными атомами, связан-
ными с углеродом или кислородом, сдвинута примерно на
0,3 мкм-1 в длинноволновую сторону от полосы возбуждающего
света, и наиболее вероятно, что именно эта полоса мешает при
измерении спектров флуоресценции. К сожалению, эти раство-
рители применяются наиболее часто, и, если помех нельзя избе-
жать другим путем, следует рассмотреть возможность исполь-
зования четыреххлористого углерода (при длинах волн, боль-
ших, чем граница его поглощения), так как его рамановская
полоса лежит так близко к длине волны возбуждающего света,
что ее мешающее действие не проявляется. С этой же точки
зрения стоит рассмотреть и хлороформ; хотя у него и есть по-
лоса 0,3 мкм"1, однако ее интенсивность меньше интенсивности
—► Таблица 48
Положения главных рамановских полос,
соответствующие различным линиям ртути
Растворитель Длина волны возбуждающего света, нм
248 313 366 405 436
Вода 271 350 418 469 511
Этанол 267 344 410 459' 500
Циклогексан 267 344 409 458 499
Четыреххлори- — 320 376 418 450
стый углерод Хлороформ — 346 411 461 502
ПРИМЕНЕНИЕ В АНАЛИТИЧЕСКОЙ ХИМИИ
393
соответствующей полосы воды, спиртов и углеводородов.
В табл. 48 для каждого из пяти растворителей приведено поло-
жение главной рамановской полосы, наблюдаемой при возбуж-
дении различными линиями ртути.
Наложение рамановского испускания воды на спектр флуо-
ресценции трех растворов бисульфата хинина, возбуждаемый
линией ртути 366 нм, показано на
рис. 144. При низкой чувствитель-
ности, используемой для записи
спектра самого концентрированного
раствора (кривая £>), максимум
рассеянного света остается в преде-
лах шкалы, и главная рамановская
полоса образует лишь небольшой
изгиб на кривой спектра флуорес-
ценции. При увеличении чувстви-
тельности (для спектров более раз-
бавленных растворов) рамановская
полоса становится все более интен-
сивной (кривые В и Г).
Таким образом, рамановская по-
лоса настолько уже полосы флуо-
ресценции бисульфата хинина, что
ее легко идентифицировать, исполь-
зуя узкие щели. Однако, если по-
пытаться повысить чувствительность
прибора увеличением1'щелей анали-
зирующего монохроматора (для то-
го чтобы записать спектры очень
разбавленных растворов), раманов-
ская полоса, по-видимому, значи-
тельно расширится, и ее можно при-
нять за часть полосы бисульфата
хинина (ср. кривые А и Б на рис.
Рис. 144. Спектр испускания
флуоресценции бисульфата хи-
нина в 0,1 н. серной кислоте,
возбуждаемый линией ртути
366 нм и искаженный наложе-
нием главной рамановской по-
лосы воды [73].
А — чистая вода при низкой чувстви-
тельности; Б —бисульфат хинина
в 0,1 н. серной кислоте (0,1 мкг^мл)
при той же чувствительности;
В —0,033 мкг/мл при большей чув-
ствительности; Г —0,01 мкг/мл при
еще более высокой чувствитель-
ности.
145). Величину рассмот-
ренных помех можно скорректировать, измеряя испускание
чистого растворителя. То, что широкая полоса на кривой 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-
буждающего света останется прежним. Помехи усиливаются,
если спектр флуоресценции имеет колебательную структуру.
Например, в спектре, приведенном на рис. 147, полоса комбина-
ционного рассеяния значительно искажает спектр испускания
394
ГЛАВА V
мкм~‘
Рис. 145. Влияние ширины
щели на спектры испуска-
ния флуоресценции и рама-
новского рассеяния [73].
Бисульфат хинина в 0,1 н. сер-
ной кислоте (0,001 мкг/мл); воз-
буждение линией ртути 366 нм;
А— ширина щели 0,25 мм; Б—ши-
рина щели 1,75 мм и-более низ-
кая чувствительность.
нием; при этом полоса
ветственно сдвигаться.
самого разбавленного 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 такого наложения. Послед-
нее появляется также в спектрах возбуждения, что хорошо ил-
люстрирует рис. 146, где приведены
кривые (Б и В) спектров разбавлен-
ных растворов антрацена. Эти спект-
ры должны быть идентичны спектру
поглощения, однако они искажены по-
лосой при 2,81 мкм-1, присутствующей
в спектре возбуждения растворителя
(рис. 146, кривая Л). Для измерения
этих спектров возбуждения анализи-
рующий монохроматор был установ-
лен на 2,52 мкм"1 (397 нм), т. е. на
волновое число, соответствующее глав-
ной рамановской полосе циклогексана
при его возбуждении светом 2,81 мкм"1.
Поэтому, когда во время сканиро-
вания из монохроматора возбужде-
ния выходил свет с волновыми чис-
лами около 2,81 мкм-1, соответствую-
щее рамановское испускание принима-
лось анализирующим монохроматором
и проявлялось в спектре возбуждения
в виде полосы с максимумом при
2,81 мкм"1. Изменяя установку ана-
лизирующего монохроматора, можно
убедиться, что помехи действительно
обусловлены рамановским испуска-
в спектре. возбуждения будет соот-
Рамановское испускание растворителя, если не принять
соответствующих мер, может привести к большим значениям
фона в высокочувствительной флуориметрии с фильтрами. На-^
пример, для возбуждения часто используется линия ртугй
366 нм, выделяемая посредством «черного стекла» (например,
марки Chance ОХ9А, срезающего длины волн приблизительно
при 405 нм, см. рис. 66). Если в качестве растворителя исполь-
зуется четыреххлористый углерод, достаточно подобрать второй
фильтр, не пропускающий света с длинами волн ниже 410 нм.
Однако, если растворителем служит вода, главная полоса ком-
бинационного рассеяния появляется при 418 нм, и, чтобы из-
бежать высокого фона, необходимо подобрать второй фильтр.
ПРИМЕНЕНИЕ Ё АНАЛИТИЧЕСКОЙ ХИМИИ
395
срезающий длины волн ниже 430 нм. Аналогично этому, когда
для возбуждения используется линия ртути 405 нм (раманов-
ская полоса воды лежит при 469 нм), второй фильтр не дол-
жен заметно пропускать ниже 480 нм. Таким образом, выбор
Рис. 146. Спектры воз-
буждения флуоресцен-
ции антрацена в цикло-
гексане с наложением
спектра комбинационного
рассеяния растворителя
[73].
Анализирующий монохрома-
тор установлен на 397 нм;
А — чистый растворитель;
Б — антрацен в циклогексане,
0,007 мкг/мл; В — то же, но
0,025 мкг/мл.
Рис. 147. Спектры испу-
скания флуоресценции
антрацена в циклогек-
сане с наложением спе-
ктра комбинационного
рассеяния растворителя
[73].
Возбуждение длиной волны
366 нм; А — чистый раствори-
тель; Б — 0,025 мкг/мл; В —
0,05 мкг/мл; Г— 0,075 мкг/мл.

дополнительных фильтров в некоторых случаях настолько сло-
жен, что приходится отказаться от возможности иметь полный
спектр флуоресценции. Примером может служить флуоримет-
рическое определение борат-иона реакцией с бензоином (см.
раздел V, Ж, 1). Флуоресценцию борат-бензоинового комплекса
легко возбудить линией 366 нм: максимальное испускание флуо-
ресценции наблюдается приблизительно при 480 нм (2,1 мкм-1),
т. е. достаточно далеко от рамановской полосы смешанного рас-
творителя, находящейся при 409—418 нм (2,39—2,45 мкм-1)
(рис. 148). Поэтому в данном случае можно применить слабо-
желтый фильтр, отсекающий длины волн приблизительно до
430 нм (2,33 мкм-1). Однако по ряду причин (см. раз-
дел V, Ж, 1) для возбуждения удобнее использовать линию
396
ГЛАВА V
ртути 405 нм. При этой длине волны борат-бензоиновый комп-
лекс поглощает слабее, и, следовательно, интенсивность рама-
новской полосы по сравнению с флуоресценцией будет больше.
Кроме того, 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
Рис. 148. Спектр испускания
флуоресценции борат-бензои-
нового раствора в водно-ще-
лочном этаноле, содержащем
бор (0,004 мкг/мл) [73].
Длина волны возбуждения 366 нм.
Рис. 149. Спектры испускания
флуоресценции бората в водно-
щелочном этаноле, содержащем
бор (0,004 мкг/мл) [73].
Длина волны возбуждения 405 нм;
А —без добавления бензоина;
Б— после добавления бензоина.

(2,08 мкм"1). Это приведет к потере флуоресценции, но может
оказаться приемлемым, если флуориметр с фильтрами имеет
высокую чувствительность.
До сих пор мы рассматривали только измерение флуоресцен-
ции жидких растворов при комнатной температуре. Гораздо
проще обстоит дело с рамановским испусканием в твердых стек-
лообразных растворах при 77 К. К тому же, поскольку раманов-
ское испускание (точнее следовало бы сказать «рамановское
рассеяние») происходит в пределах времени колебания световой
волны, оно полностью убирается фосфороскопом и, следователь-
но, не мешает измерению фосфоресценции или замедленной
флуоресценции ни в жидких, ни в твердых средах.
ПРИМЕНЕНИЕ В АНАЛИТИЧЕСКОЙ ХИМИИ
397
2. Люминесценция кюветы и окружающего
пространства
300 350 400 450
Длина волны, нм
Рис. 150. Помехи, обусловленные рассеян-
ным светом и флуоресценцией кюветы из
плавленого кварца [210].
Спектр чистого циклогексана, возбуждаемый све-
том от небольшого решеточного монохроматора,
установленного на 250 нм; Л —в кювете из плавле-
ного кварца с фильтрами в пучке возбуждающего
света (чувствительность 1000); Б —в кювете из син-
тетического кварца с фильтрами (чувствитель-
ность 1000); В —то же, что и Б, но чувствитель-
ность равна 500, чтобы показать интенсивность
рамановской полосы; Г —в кювете из синтетиче-
ского кварца без фильтров (чувствительность 1000).
В разделе III, 3, посвященном рассмотрению эффекта внут-
реннего фильтра, было отмечено, что в аналитической практи-
ке желательно (насколь-
ко это возможно) изме-
рять разбавленные раст-
воры методом освещения
под прямым углом — это
упрощает интерпретацию
результатов и сводит к
минимуму фон, обуслов-
ленный рассеянным све-
том и люминесценцией
кюветы. Однако даже при
самом тщательном экра-
нировании кюветы, когда
анализирующий монохро-
матор «не видит» осве-
щаемые грани кюветы,
флуоресценция от ее сте-
нок рассеивается раство-
рителем, что приводит к
возникновению сильного
фона. Трудности особенно
велики, когда для возбуж-
дения используется свет
коротких длин волн. Так,
при освещении светом
250 нм плавленый кварц
сильно флуоресцирует,
что вызывает серьезные искажения (рис. 150, кривая Л). Поэто-
му, если необходима высокая точность, следует применить кю-
веты из синтетического кварца, фон которого обычно незначите-
лен, если, конечно, использовать освещение под прямым углом
(рис. 150, кривая Б). При фронтальном или линейном освеще-
нии флуоресценция кюветы вводит значительно больший фон,
заметный даже в случае синтетического кварца. Подобно этому,
,если спектрофосфориметрия или спектрофлуориметрия исполь-
зуется для идентификации пятен или зон на хроматографической
бумаге или колонке, чувствительность часто лимитируется флуо-
ресценцией адсорбентов, таких, как фильтровальная бумага, си-
ликагель и т. д При измерении образцов при температуре жид-
кого азота необходима особая осторожность, чтобы избежать
люминесцентного фона. Если кювета помещена в сосуд Дьюара
398
ГЛАВА V
из плавленого кварца, люминесценция последнего может да-
вать очень большой фон, состоящий из флуоресценции и фосфо-
ресценции, поэтому кювету необходимо экранировать со всех
сторон, оставив лишь небольшие отверстия для выпуска возбуж-
дающего света и наблюдения люминесценции.
Особенно серьезны помехи, вызванные фосфоресценцией кю-
веты (или окружающего пространства) при измерении замед-
ленной флуоресценции (см. раздел III, Н, 8). Здесь фон имеет
вид истинного сигнала — спектр идентичен быстрой флуорес-
ценции исследуемого вещества. Однако это не истинная замед-
ленная флуоресценция, а быстрая флуоресценция, возбужден-
ная поглощением фосфоресценции кюветы.
Наконец, следует упомянуть возможную флуоресценцию оп-
тики перед входной щелью анализирующего монохроматора.
Если она изготовлена из плавленого кварца, то последний мо-
жет давать неприятный фон при возбуждении короткими дли-
нами волн напросвет (см. раздел 111,3,4). 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 углом. Если же для возбуждения и регистрации ис-
пользуются двойные призменные монохроматоры, то от этих
помех всегда можно избавиться даже при фронтальном освеще-
нии, ибо максимум рассеянного 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-
дающего света. Они образуются при рассеянии внутри монохро-
матора возбуждения (см. раздел III, Б, 10) и могут приводить
к большому фону при работе с высокой чувствительностью. Так,
кривая Г (см. рис. 150)—это «спектр» чистого циклогексана,
когда для выделения возбуждающей линии ртути 250 нм был
использован решеточный монохроматор. Почти весь спектр
обусловлен небольшим количеством случайного света всех длин
волн, прошедшего через монохроматор возбуждения, рассеян-
ного растворителем и попавшего в анализирующий монохрома-
тор;— на кривой Г ясно видны максимумы, отвечающие линиям
ртути 302, 313, 334, 366, 405 и 436 нм. Этот случайный рассеян-
ный свет был полностью удален использованием составного
фильтра [кювета толщиной 2 см с газообразным хлороз и стек-
ло (2 мм) марки Chance ОХ7]. Этот фильтр поглощает все
длины волн выше 300 нм, но пропускает нужную для возбуж-
ПРИМЕНЕНИЕ В АНАЛИТИЧЕСКОЙ ХИМИИ
399
дения длину волны 250 нм. Таким образом, спектр испускания
флуоресценции циклогексана был почти полностью освобожден
от мешающего рассеянного света. Интенсивная полоса при
269 нм (кривая В на рис. 150) обусловлена главной раманов-
ской полосой циклогексана и показывает чувствительность при-
бора, при которой были измерены спектры. Другой пример
подавления помех от рассеянного возбуждающего света с по-
мощью фильтров приведен в разделе III, Г, 2 и на рис. 67.
В этом же разделе описаны помехи, которые могут быть
вызваны случайным светом из спектра второго порядка реше-
точного монохроматора; в этом случае рекомендуется приме-
нение дополнительных фильтров.
Искажения могут возникать даже при полной монохроматич-
ности возбуждающего света в результате неэффективности
анализирующего монохроматора. Они особенно ясно выражены
при фронтальном освещении, когда сравнительно большая часть
возбуждающего света рассеивается образцом и попадает в ана-
лизирующий монохроматор. Небольшая часть этого света рас-
сеивается затем оптикой этого монохроматора и в какой-то
мере достигает фотоумножителя при установке на любую дли-
ну волны. Таким образом, для того чтобы работать с высокой
чувствительностью при фронтальном освещении, между образ-
цом и анализирующим монохроматором необходимо поставить
фильтр с резкой коротковолновой границей (к тому же нефлуо-
ресцирующий) или, что лучше, использовать двойной моно-
хроматор.
4. Люминесценция примесей, присутствующих
в растворителях и реагентах
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 данного определе-
ния, но, поскольку запасы растворителя в лаборатории держат
для использования при различных измерениях (часто высоко-
чувствительных), полезно иметь общий критерий высокой чисто-
ты. Хороший метод определения чистоты растворителей, про-
пускающих ультрафиолетовый свет, состоит в возбуждении све-
том 250 нм высокой интенсивности от ртутной лампы высокого
давления, выделенным посредством монохроматора и фильтров,
как это описано для кривой Б на рис. 150. В этих условиях
главная 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 поглощают при 250. нм и, следовательно,
400
ГЛАВА V
будут обнаружены. Безусловно, следует контролировать по-
глощение растворителя при 250 нм, чтобы убедиться в отсут-
ствии больших концентраций поглощающих примесей, иначе
сильно загрязненный растворитель не будет пропускать воз-
буждающий свет до середины кюветы и может показаться не-
флуоресцирующим по этой причине. В этом методе проверки
всегда имеет смысл записать главную полосу рамановского рас-
Длина волны, нм
Рис. 151. Флуоресценция примесей в эта-
ноле [210].
Возбуждение, как и для спектра на рис. 150, с филь-
трами (чувствительность 625); Л— этанол без обра-
ботки; Б —этанол, очищенный перегонкой; В —очи-
щенный этанол с добавкой антрацена (0,0003 мг/мл).
сеяния, если нужно, при
пониженной чувствитель-
ности прибора. Высота
этой полосы является
«внутренним стандартом»
и облегчает, таким обра-
зом, количественное срав-
нение спектров, снятых в
разное время; кроме того,
она обеспечивает провер-
ку правильности работы
прибора.
Продажный циклогек-
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 примеси в доволь-
но больших концентра-
циях, но их легко удалить
одной перегонкой, 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 содер-
жали 1—2 ч. антрацена на 10 ч. спирта (см. кривые А и В на
рис. 151), очевидно попавшие при производстве или расфасовке.
Такую примесь легко удалить перегонкой, а сам факт приведен
здесь для иллюстрации того, какая высокая чувствительность
метода может быть достигнута в флуоресцентном анализе при
благоприятных условиях. Так как показатель чувствительности
флуоресценции антрацена при 250 нм высок, а флуоресценция
очищенного этанола незначительна, минимальная обнаружимая
концентрация антрацена в спирте составляет меньше 1 ч. на
1011 ч. последнего.
Спектры флуоресценции некоторых образцов воды приведе-
ны на рис. 152. Двукратная перегонка обычной воды значитель-
но уменьшает ее флуоресценцию, хотя при длинах волн более
ПРИМЕНЕНИЕ В АНАЛИТИЧЕСКОЙ ХИМИИ
401
350 нм она все еще флуоресцирует несколько сильнее, чем
однократно перегнанный этанол (ср. кривые Б и Г на рис. 152).
Трудность удаления последних следов флуоресцирующих при-
месей, вероятно, обусловлена их летучестью; возможно, что
предварительная перегонка воды над щелочным раствором
перманганата даст большую степень очистки. Деионизация при
условии, что первые порции из деионизатора отбрасываются, по-
видимому, не вносит в систему флуоресцирующих примесей
(кривая В на рис. 152).
Рис. 152. Флуоресценция примесей в образцах воды [210].
Возбуждение, как и для спектра на рис. 150, с фильтрами; А — обычная вода (чувствитель-
ность 2500); Б —дважды перегнанная вода (чувствительность 2500); В — перегнанная один
раз и деионизованная вода (чувствительность 2500); Г —этанол после одной перегонки
(чувствительность 2500); Д —то же, что А, но при чувствительности 625, чтобы показать
интенсивность рамановской полосы.
Этиловый эфир очистить легко, однако для удаления по-
следних следов флуоресценции из парафинов, таких, как изо-
пентан или я-гексан, 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, где требуется предварительное выделение
люминесцирующего соединения (до измерения), возможно появ-
ление дополнительных источников фона. Одним из таких источ-
ников могут быть случайные загрязнения, которые особенно зна-
чительны при определении таких веществ, как бор, кремний или
смазочное масло. Второй источник фона (для неорганических
соединений он часто является главным) — это примеси в реаген-
тах. Наконец, реагент, с которым должно прореагировать веще-
ство (ч^обы дать необходимый для измерения люминесцирую-
щий продукт), может незначительно разлагаться даже в отсут-
ствие определяемого вещества. При этом образуются новые
люминесцирующие соединения, которые могут способствовать
увеличению фона. При решении многих практических задач лю-
минесцентного анализа нельзя избежать выделения вещества и
402
ГЛАВА V
(или) химической реакции. Образующийся при этом фон часто
значительно превышает фон от примесей в растворителе (см.
предыдущий раздел) и становится главным фактором, лимити-
рующим чувствительность. Мы не будем подробно обсуждать эту
проблему, но коснемся ее при обсуждении конкретных методов.
5. Люминесценция других компонентов образца
В принципе помех, вызванных люминесцирующими приме-
сями, содержащимися в анализируемом образце, можно избе-
жать, применяя соответствующий физический или химический
метод для выделения интересующего дюминесцирующего соеди-
нения перед его измерением. Хотя часто предварительного вы-
деления избежать нельзя, всегда стоит попытаться разработать
прямой метод, требующий минимальной обработки образца пе-
ред измерением (или не требующий ее вовсе). Не говоря уже
о том, что такие прямые методы являются более быстрыми, пре-
имущество их состоит и в том, что удается избежать фона от
реагентов, а также потерь материала — важное обстоятельство
при анализе малых количеств или нестойких соединений. Пожа-
луй, наиболее часто рассматриваются именно эти методы, на-
ряду с так называемыми одновременными, в которых несколько
компонентов смеси определяются без выделения с применением
соответствующей люминесцентной 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 главной
составной части даст в рассматриваемой области длин волн
только небольшой сигнал, который можно принять за часть сум-
марного фона, определяющего чувствительность метода.
Рассмотрим такую аналитическую проблему — определение
следов антрацена и флуорена в фенантрене высокой чистоты.
Спектр поглощения флуорена падает до нуля при длинах волн
короче 310 нм, тогда как фенантрен поглощает при всех длинах
волн до 350 нм. Таким образом, нет такой длины волны, при ко-
торой можно возбудить флуорен, не возбуждая так^е флуорес-
ценции фенантрена. Однако спектр испускания флуоресценции
флуорена (кривая Д на рис. 153) расположен в области, где
испускание фенантрена по существу отсутствует (кривая Л на
рис. 153). Поэтому определение флуорена в присутствии фенан-
трена вполне возможно при условии, что концентрация послед-
него все же ограничена и эффект внутреннего фильтра не пре-
вышает разумных границ. Оптимальной длиной волны является
при которой отношение коэффициентов погашения флуорена
ПРИМЕНЕНИЕ В АНАЛИТИЧЕСКОЙ ХИМИИ
403
и фенантрена максимально: это соответствует приблизительно
линии ртути 302 нм. Концентрация фенантрена должна быть
ограничена примерно 100 мкг/мл (оптическая плотность на 1 см
при 302 нм равна 0,2). Выбранная длина волны возбуждения
лежит на границе спектра испускания флуорена, и рассеянный
свет возбуждения мешает измерению разбавленных растворов
флуорена в любом из максимумов флуоресценции. При использо-
вании двойного монохроматора интенсивность рассеянного света
незначительна при 312 нм, и тогда флуоресценция, обусловлен-
Длина волны, нм
Рис. 153. Определение флуорена и антрацена в фенантрене измерением
флуоресценции при комнатной температуре [210].
а — возбуждение при 302 нм через двойной монохроматор; 100 мкг/мл фенантрена; А —без
добавок; Б —добавлено 0,005 мкг/мл флуорена; В —добавлено 0,01 мкг/мл флуорена;
Г —только растворитель; Д —только флуорен, 1 мкг/мл, возбуждаемый линией 250 нм.
б — возбуждение при 366 нм через двойной монохроматор; В—1%-ный (вес/объем) раствор
фенантрена в этаноле; Ж —то же, что Е, но с добавлением 0,01 мкг/мл антрацена; 3 —только
растворитель; Я —то же, что Е, но при —90° С; К—10 мкг/мл фенантрена, возбуждаемого
при 302 нм.
ная низкими концентрациями флуорена, появляется при 312 нм
в виде изгиба на кривой рассеянного света (кривые Д, Б и
В на рис. 153). Главный вклад в фон дает рамановское испуска-
ние растворителя (кривая Г на рис. 153). Добавочный сигнал,
обусловленный присутствием флуорена (кривая Д), соответ-
ствует содержанию последнего приблизительно 10 ч. в 106 ч.
фенантрена. Это минимальное количество, которое с уверен-
ностью мож^к> обнаружить в образце. Отметим, что в рассмот-
ренном примере чувствительность метода ограничена не флуорес-
ценцией фенантрена, а его поглощением. Истинная концентрация
флуорена в растворе составляет всего лишь 0,001 мкг/мл, но кон-
центрация фенантрена должна быть ограничена 100 мкг/мл.
404
ГЛАВА V
Что касается определения следов антрацена в фенантрене, то
на первый взгляд кажется, что оно не составляет труда. Антра-
цен поглощает линию ртути 366 нм, которая находится за пре-
делами обычного поглощения фенантрена. Таким образом, фе-
нантрен, 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
I
пи
§

Колебательные
уровни основно-
го состояния
at
§ и
is
Колебательные
уровни первого
электрон но-воз-
бужденного сос-
тояния
ас
со 5
g?
5 о
§5
Рис. 154. Возбуждение в антистоксовой области [210].
свет (на рис. 153 большая часть коротковолнового участка
спектра не записана вследствие самопоглощения). Этот эффект
известен под названием «антистоксово возбуждение» и может
быть легко объяснен с помощью диаграммы энергетических уров-
ней, приведенной на рис. 154. Хотя при комнатной температуре
большинство молекул фенантрена находится на наинизшем ко-
лебательном уровне основного состояния и обусловливает полосу
поглощения, соответствующую переходам Л, небольшая их часть
из-за термической активации находится на более высоком коле-
бательном уровне основного состояния и обусловливает поглоще-
ние, соответствующее переходам В (рис. 154). Переход с погло-
щением наименьшей энергии (в серии В) соответствует большей
длине волны, чем переход с испусканием наибольшей энергии
(в серии С). Следовательно, флуоресценцию, отвечающую этому
переходу, можно возбудить поглощением света.большей длины
волны, чем длина волны флуоресценции. При определении антра-
цена нас не интересует область длин волн короче 366 нм, но по-
ПРИМЕНЕНИЕ В АНАЛИТИЧЕСКОЙ ХИМИИ
'405
глощение света с длиной волны 366 нм молекулами термически
активированного фенантрена также вызывает флуоресценцию,
соответствующую всем остальным переходам серии С, т. е. обыч-
ный спектр флуоресценции фенантрена. Этот спектр перекрывает
область флуоресценции антрацена и тем самым увеличивает фон
при определении последнего. Таким образом, флуоресценция
1%-ного (вес/объем) раствора фенантрена при комнатной тем-
пературе лишь незначительно увеличивается добавлением
Рис. 155. Определение антрацена в фенантрене по флуоресценции при
—90° С [210].
Возбуждение при 366 нм через двойной монохроматор; 1%-ный (вес/объем) раствор фенан-
трена в этаноле; А— без добавок; Б —добавлено 0,01 мкг/мл антрацена; В —добавлено
0,02 мкг/мл антрацена; Г —только растворитель.
0,01 мкг/мл антрацена (ср. кривые Е и Ж на рис. 153). Посколь-
ку «фенантреновый фон» зависит от концентрации термически
активированных молекул, его можно уменьшить, проводя 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 этой температуре/можно
повысить чувствительность прибора и обнаружить более низкую
концентрацию антрацена. Итак, добавление 0,01 мкг/мл антра-
цена значительно увеличивает испускание флуоресценции (ср?
кривые А и Б на рис. 155), и главные максимумы в спектре ан-
трацена становятся отчетливыми. Большая часть флуоресценции
чистого фенантоена (кривая А на рис. 155) обусловлена теперь
вкладом рамановского испускания растворителя (см. кривую Г)
и флуоресценции самого фенантрена (см. максимум в области
406
ГЛАВА V
около 385 нм). Учитывая эти два вклада, можно считать, что
минимально обнаружимая концентрация антрацена в присут-
ствии 1%-ного (вес/объем) раствора фенантрена составляет при-
мерно 0,001 мкг/мл, или 0,1 ч. на 106 ч. в расчете на образец фе-
нантрена.
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, когда в результате фотореакции реагента,
использованного для получения флуоресцирующего соединения,
образуется другой флуоресцирующий продукт. Образование по-
следнего во время измерения спектра вносит вклад в суммарный
фон. Рассмотрим теперь, насколько сильно сказываются эти два
типа ошибок.
Пусть интенсивность возбуждающего света равна /о эйн-
штейн/с на 1 см2 поперечного сечения пучка. Предположим те-
перь, что определяемое флуоресцирующее вещество разлагается
с квантовым выходом Ф. В разбавленном растворе скорость по-
глощения света будет составлять 2300 ес/0 эйнштейн/(л • с) [см.
уравнение (21)], и, следовательно, относительную скорость раз-
ложения можно определить из уравнения
•у •= 23ООе/оФ. (427)
Типичное значение е составляет 104, а свет, выделенный из ртут-
ной лампы решеточным монохроматором и сфокусированный на
кювете, может иметь площадь поперечного сечения 0,5 см2 и, сле-
довательно, интенсивность 8,6-10-8 эйнштейн/(с-см2) (см.
табл. 20). В неблагоприятном случае Ф = 0,1 и, следовательно,
относительная скорость разложения будет составлять 0,2 с-1,
т. е. интенсивность флуоресценции неперемешиваемого раствора
будет уменьшаться приблизительно на 20% за o/friy секунду.
Если бы раствор перемешивали и суммарный объем кюветы пре-
вышал освещаемый объем в 10 раз, скорость разложения все
еще составляла бы около 2% в секунду, т. е. была бцг достаточ-
ной, чтобы вызвать значительную ошибку за время записи пол-
ного спектра флуоресценции или даже за время единичного от-
счета. Ясно, что для уменьшения ошибки необходимо снизить
интенсивность возбуждающего света и увеличить чувствитель-
ность детектора.
ПРИМЕНЕНИЕ В АНАЛИТИЧЕСКОЙ ХИМИИ.
407
Рассмотрим теперь второй случай, когда избыток реагента R
с концентрацией cr добавляют к раствору определяемого соеди-
нения А с концентрацией сА для образования флуоресцирующего
продукта В:
A + R~*B. (428)
Предположим далее, что реагент претерпевает фоторазложение
с квантовым выходом Ф, давая флуоресцирующий продукт Р.
фв и фр — эффективности флуоресценции соединений В и Р
(предположим, что они имеют одинаковые спектры), а ев, ей и
ер — коэффициенты погашения В, R и Р при длине волны воз-
буждения. Сигнал флуоресценции, обусловленный соединени-
ем А, после его реакции будет равен
77А==2>3евсА/оФв^. (429)
где k — постоянная прибора. Скорость образования Р путем
фоторазложения реагента выражается так:
dCp/di = 23ОО7оФецск моль/(л • с), (430)
а скорость увеличения сигнала флуоресценции, соответствую-
щего этому фоторазложению, будет равна
dFpjdt = 2,3sp<pp/0£ dCpfdt. (431)
Выразив это как долю флуоресценции, вызванной единицей
концентрации А, получим
= ЮОО7оФ • (2,Зе сR) = 1ООО/оФ • • х, (432)
Ла/са 8вФв v r r/ 0 евФв
где х — часть света, поглощенного в слое 1 см избытком ре-
агента R. Теперь подставим значения для неблагоприятного
случая: /0 —8,6 • 10”8 эйнштейн/(л - с), Ф= 1,0, ерфр = 8в<рв, х —
= 0,01. Таким путем находим
dFpfdt
Fk!ck
= 8,6- 10-7
мольДл • с).
(433)
Это означает, что в непер вмешиваемом растворе флуоресцентный
фон увеличился бы на величину, эквивалентную концентрации А
приблизительно 10-6 моль/л, за каждую секунду освещения пуч-
ком возбуждающего света. Даже если бы раствор перемешивали
и суммарный объем был в 10 раз больше, чем освещаемый, не-
прерывно возрастающий фон создавал бы серьезное ограничение
чувствительности метода. Такой эффект имеет место, например,
при определении бората бензоиновым методом (см. раз-
дел V, Ж, 1).
408
ГЛАВА V
Г. СВЯЗЬ ЛЮМИНЕСЦЕНЦИИ ОРГАНИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ
С МОЛЕКУЛЯРНОЙ СТРУКТУРОЙ
1. Общие правила
Ниже приведен ряд полезных правил, вытекающих из общих
принципов, обсуждавшихся в гл. I, а также полученных эмпи-
рическим путем:
а) Для возбуждения фотолюминесценции длинами волн,
превышающими 220 нм, требуется наличие системы л-элект-
ронов.
б) Увеличение сопряжения сдвигает самую длинноволновую
полосу поглощения в сторону больших длин волн. При отсут-
ствии специфических эффектов (например, водородной связи,
электролитической диссоциации) спектр испускания флуоресцен-
ции располагается непосредственно за длинноволновой частью
спектра поглощения. 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 синглетное состояние относится к
л* — л-типу. Часто эти соединения имеют также интенсивную
фосфоресценцию в твердых средах.
г) Системы с низшим возбужденным синглетным состоянием
типа л* — п имеют очень небольшие выходы быстрой флуорес-
ценции, но высокие выходы фосфоресценции в твердых средах.
д) Соединения с низшим возбужденным синглетным состоя-
нием типа ал — I могут иметь высокие выходы и быстрой флуо-
ресценции и фосфоресценции при низкой температуре.
е) Состояния с переносом заряда могут приводить к быстрой
флуоресценции (особенно при низкой температуре),, а также к
фосфоресценции.
ж) Введение в молекулу орто-пара-ориентирующих замести-
телей не мешает флуоресценции и может даже увеличивать ее.
Большинство жетя-ориентирующих групп, за исключением CN,
снижает выход быстрой флуоресценции [329].
з) Увеличение жесткости молекулы повышает выход быстрой
флуоресценции в жидком растворе и благоприятствует разреше-
нию колебательной структуры.
и) Введение заместителей часто приводит к сдвигу спектров
в длинноволновую область и смазывает колебательную струк-
туру. Этот эффект минимален в случае алкильных групп. Многие
заместители приводят к новым типам возбужденного состояния
(см. пункты «в», «г» и «д»).
к) Введение тяжелых атомов понижает выход флуорес-
ценции,
ПРИМЕНЕНИЕ В АНАЛИТИЧЕСКОЙ ХИМИИ
409
Понятно, что в сложных соединениях действие одного пра-
вила может быть сведено на нет действием другого. Для некото-
рых правил существует много исключений, поэтому необходимо
подчеркнуть, что применять их следует осторожно. Ниже мы про-
иллюстрируем правила примерами и укажем некоторые исклю-
чения.
2. Степень сопряжения ^электронов (правила
«а» и «б»)
Правило «а» (необходимость наличия л-электронов для фото-
люминесценции) вытекает в основном из двух фактов. Во-
первых, очень немногие органические соединения, в молекуле
которых нет л-электронов, заметно поглощают выше 220 нм, а
поглощение света является необходимым условием возникновения
фотолюминесценции. Во-вторых, алифатические соединения, та-
кие, .как галогенопроизводные, которые действительно погло-
щают в кварцевой УФ-области, обычно претерпевают фотодиссо-
циацию (например, иодистый этил). Многие алифатические
соединения, содержащие системы л-электронов (например, альде-
гиды, кетоны, кислоты, амиды), имеют низшие возбужденные
синглетные состояния типа л* — п и, согласно правилу «г», лишь
слабо флуоресцируют. Исключение составляет диацетил, но
даже для него выход флуоресценции значительно меньше, чем
выход фосфоресценции. Фосфоресценция других алифатических
соединений в растворе исследована мало. Многие поглощающие
алифатические соединения, которые содержат электроноакцеп-
торные (жета-ориентирующие) группы (например, нитрогруппы),
по правилу «ж» не должны флуоресцировать. Алкилцианиды
прозрачны в кварцевой ультрафиолетовой области. Поэтому в
алифатическом ряду флуоресценцию следует искать среди со-
единений, содержащих систему сопряженных связей С=С, та-
ких, как витамин Ль который имеет максимум поглощения
(в этаноле) приблизительно при 3,0 мкм'1 и флуоресцирует в
сине-зеленой области (около 2,0 мкм-1) [330].
СН3 СН3 СНз
,СН2ОН
Витамин Aj
Влияние длины цепи сопряжения на энергию низших
возбужденных синглетного и триплетного состояний хорошо
410
ГЛАВА V
видно на примере ряда бензол — нафталин — антрацен — нафта-
цен; все эти соединения флуоресцируют.
Бензол (3)
S| 3,80 мкм-1
7] 2,94 мкм-1
Нафталин (5)
S] 3,18 мкм-1
7\ 2,13 мкм-1
Антрацен (7)
2,66 мкм-1
7\ 1,47 мкм-1
Нафтацен (9)
«Si 2,11 мкм-1
Т\ 1,03 мкм-1
По мере того как число линейно сопряженных (т. е. перифериче-
ских) двойных связей увеличивается с 3 до 9 (указано в
скобках), флуоресценция и фосфоресценция сдвигаются из
ультрафиолетовой области (бензол) к видимой и близкой ин-
фракрасной (нафтацен). Отметим, что триплет-синглетное рас-
щепление в абсолютных единицах остается приблизительно по-
стоянным (около 1,0 мкм-1), но заметно увеличивается как доля
от синглетной энергии.
У так называемых ангулярных углеводородов (в системе со-
пряженных двойных связей имеются «пересекающиеся» связи)
величины энергии больше, что видно, например, из сравнения
фенантрена с антраценом и бензантрацена с нафтаценом:
Фенантрен (7)
Si 2,87 мкм”"1
Tt 2,16 мкм”"1
1,2-Бензантрацен (9)
Si 2,61 мкм”"1
Ti 1,65 мкм””1
Аналогичный эффект был обнаружен для селенодиазолов [327].
Так, если 3,4-бензопиазселенол, в котором одна двойная связь
находится в «пересекающемся» положении, обладает слабой
флуоресценцией приблизительно при 2,5 мкм-1 (см. рис. 106), то
ПРИМЕНЕНИЕ В АНАЛИТИЧЕСКОЙ ХИМИИ
411
4,5-иЗомер, в котором все двойные связи периферические, сильно
флуоресцирует примерно при 1,9 мкм-1 (см. рис. 186):
3.4-Бензопиазселенол
Si ~ 2,5 мкм
4,5-Бензопиазселен ол
Si~ 1,9 мкм""1
3. Природа низшего возбужденного синглетного
состояния (правила «в», «г», «д», «е»)
Все незамещенные ароматические углеводороды имеют низшие
возбужденные состояния типа л* — ли всегда обладают неко-
торой (часто интенсивной) флуоресценцией, а в твердых средах
Рис. 156. Спектры испускания флуоресценции и фосфоресценции в системе
эфйр—пентан—этанол при 77 К [203].
а — флуорен; б — трифенилен;"з — бензол; г — дифенил; д — фенол; е — Ы-фенил-2-нафтиламин;
ж — нафталин; з —спектральная чувствительность прибора. Возбуждение при 4,03 мкм"”1
(248 нм); кварцевый анализирующий спектрометр с фотоумножителем Е. М. I. 6256; полу-
ширина полосы 0,019 мкм-1 при 2,5 мкм”1; слева —флуоресценция, измеренная при син-
фазной установке прерывателей; справа — фосфоресценция, измеренная при антифазной
установке прерывателя.
обычно также и фосфоресценцией (рис. 156). л* — п-Состояния
имеют соединения, содержащие в кольце гетероатомы или заме-
щающие группы. Примером первых может служить пиридин,
412
ГЛАВА V
который не флуоресцирует, в отличие от бензола, обладающего
способностью как флуоресцировать, так и фосфоресцировать.
Проиллюстрируем эти правила на примере ряда нафталин — хи-
нолин — индол (см. также разделы I, Б, 6 и IV, Е, 3):
Нафталин
Флуоресцирует и
фосфоресцирует
Хинолин
л*—/:
В неполярных
растворителях
не флуорес-
цирует
Индол
л*-л '
Флуоресцирует и
фосфоресцирует
Нафталин имеет низшее возбужденное синглетное состояние
типа л* — ли дает как флуоресценцию, так и фосфоресценцию.
Волновое число, мкм-1
Рис. 157. Спектры испускания фосфоресценции в системе эфир — пентан —
этанол при 77 К [203].
а —бензойная кислота; б — бензофенон; в — ацетанилид; г —бензоин; б — 4-нитро-М-этил-
анилин; в —бензил; ж—ацетофенон; з — антрахинон; условия см. на рис. 156.
Хинолин в неполярных растворителях имеет низшее состояние
типа л* — п и не флуоресцирует. В индоле пространственное рас-
положение орбитали неподеленной пары электронов таково, что
она оказывается сопряженной в основном состоянии с аромати-
ческими л-электронами и не может привести к л* — п-переходу.
Поэтому индол имеет низшее возбужденное синглетное состоя-
ние типа л* — п и, подобно нафталину, способен флуоресциро-ч
ПРИМЕНЕНИЕ В АНАЛИТИЧЕСКОЙ ХИМИИ
413
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 групп изменяет природу энергетических уровней и
может привести к флуоресценции (например, в случае 3-оксипи-
ридина).
Длина волны, нал
Рис. 158. Сравнение фотолюминесценции соединений, образующих СГ- и
л* — п-состояния.
/, 2 —флуоресценция (X 6) и фосфоресценция (X 2) 2,5«10“6 М раствора 4,4'-тетраметил-
диаминобензофенона в смеси эфир— пентан —этанол при 77 К; 3 —фосфоресценция (X 1)
2,5* 10“6 М бензофенона (не флуоресцирует). Возбуждение при 250 нм; ширина полосы
анализирующего монохроматора 3,3 нм.
Типичным примером заместителя с низшим уровнем типа
л* — п является карбонильная группа, ответственная за тот
факт, что незамещенные ароматические альдегиды, кетоны, кар-
боновые кислоты, сложные эфиры и амиды в твердых средах не
флуоресцируют (или флуоресцируют очень слабо), но обычно
фосфоресцируют (см. раздел I, Б, 6 и рис. 157). По мере услож-
нения ароматической системы разность между энергиями л* — л-
и л* — n-уровней уменьшается, и в конце концов они меняются
местами. Для’ соединений, занимающих промежуточное положе-
ние (наприцер, 3-альдегид пирена), природа низшего возбужден-
ного состояния зависит от растворителя, причем флуоресценция
увеличивается с повышением полярности растворителя (см. раз-
дел IV, Е, 3). Введение второго заместителя полностью меняет
природу и расположение возбужденных состояний, и, если вто-
рой заместитель является электронодонорной группой, низшим
возбужденным состоянием часто оказывается СГ-состояние. Оно
414
ГЛАВА V
обладает небольшим временем жизни и может вызывать как
флуоресценцию, так и фосфоресценцию (см. раздел I, Б, 6). Так,
бензофенон при 77 К не флуоресцирует, но сильно фосфоресци-
рует, тогда 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 I, Б, 6), являются электронодо-
норные группы. Они часто вызывают как флуоресценцию, так и
фосфоресценцию. Например, большинство фенолов и аромати-
ческих аминов флуоресцирует в жидком растворе. Эти группы
сводят на нет действие л*—n-заместителей, упомянутых в пре-
дыдущем абзаце. Нефлуоресцирующие л* — п-гетероцикличе-
ские соединения при введении подобных заместителей также
становятся флуоресцирующими; примером может служить окси-
пиридин.
4. Классификация заместителей (правило «ж»)
Обширные исследования по влиянию заместителей на быст-
рую флуоресценцию ароматических и гетероциклических соеди-
нений в жидком растворе проведены Уильямсом и сотр. [329, 331,
332]. Они нашли, что обычно орто-пара-ориентирующие замести-
тели имеют тенденцию увеличивать флуоресценцию, а мета-ори-
ентанты мешают ей; если же в соединении наряду с л^ета-ориен-
тантом содержатся орто-пара-ориентанты, то флуоресценция вос-
станавливается. Целый ряд примеров подчинения этим правилам
можно объяснить на основе общих положений, рассмотренных в
предыдущем разделе. Так, л* — n-группы (карбонильная, слож-
ноэфирная, карбоксильная) являются л^ета-ориентантами, а
ал — /-группы ориентируют в орто- и пара-положения:
Основное состояние,
.мета-ориентирующая
группа
Возбужденное состояние
п*-п
Не флуоресцирует
Основное состояние,
орто-пар а-ориентирующая
группа
Возбужденное состояние
аЛ~1
Флуоресцирует
Исключением из правила Уильямса является л^ета-ориенти-
рующая CN-группа: ароматические соединения, содержащие в
кольце цианогруппу, часто флуоресцируют. По-видимому, в этих
соединениях л* — n-состояние обладает более высокой энергией.
ПРИМЕНЕНИЕ В АНАЛИТИЧЕСКОЙ ХИМИИ
415
чем л* — л-, хотя причина этого не ясна. Следует отметить и не-
которые другие исключения из этого правила. Так, фенолят-ион,
согласно данным Уильямса [329], не флуоресцирует, хотя иони-
зованная фенольная группа является орто-пара-ориентантом.
В свете этого факта можно понять различия между фенолом и
анизолом:
ОН
ОСН3
Флуоресцирует
(в нейтральном
растворе)
Не флуоресцирует
(в щелочном
растворе)
Флуоресцирует в
нейтральном и
щелочном растворах
С другой стороны, р-нафтолят-ион флуоресцирует (см. раз-
дел IV, В}. Приведем еще один пример. Хотя NH+3 является
Л1вта-ориентирующей группой и в соответствии с этим хлоргидрат
анилина, как известно, не флуоресцирует [329], хлоргидрат
нафтиламина обладает флуоресценцией (см. раздел IV, В). Неко-
торые из этих несоответствий можно объяснить тем, что по мере
увеличения размера ароматической или гетероциклической си-
стемы влияние л^ега-ориентирующих групп ослабевает. Напри-
мер, флуоресцирующими являются некоторые производные нит-
ростильбена в жидком растворе. Так, Липперт и сотр. [163] в
качестве соединения, используемого как стандарт для коррек-
ции спектров испускания флуоресценции, рекомендовали 4-ди-
метиламино-4'-нитростильбен
Вероятно, его флуоресценция обусловлена (по крайней мере, от-
части) присутствием аминогруппы, так как более простое соеди-
нение л-нитродиметиланилин тоже флуоресцирует [163].
Правила, приведенные в разделе V, Г, 1, мы, естественно,
должны дополнить влиянием внутри- и межмолекулярной водо-
родных связей^ и электролитической диссоциации в основном и
возбужденном'состояниях, в общих чертах уже обсуждавшимся
в гл. IV. Используя это влияние, мы можем выявить различия
между соединениями, которые в одинаковых условиях дают оди-
наковые спектры. Например, м- и n-оксибензойные кислоты в от-
личие от о-оксибензойной кислоты (внутренняя водородная
связь) не флуоресцируют в интервале pH от 3 до 10, тогда как
при pH 14 все три кислоты, как известно, флуоресцируют [332].
416
ГЛАВА V
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 часто сравнивают фенолфталеин с флуоресцеином и мала-
хитовый зеленый с родамином Б:
Фенолфталеин
(не флуоресцирует)
Флуоресцеин
(флуоресцирует)
Малахитовый зеленый
(не флуоресцирует)
Вероятно, критерием является не столько жесткость молекулы,
сколько копланарность колец, которая допускает взаимодействие
отдельных систем электронов. Таким образом, хотя введение в
качестве заместителя гибкой 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 умень-
шает 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-0-нафтиламин с бензкарбазолом на
рис. 159). Удивительно, что спектр флуорена разрешен не луч-
ше, чем дифенила, в жидком растворе при комнатной темпера-
туре (см. рис. 159), хотя в твердой фазе его спектр разрешен
ПРИМЕНЕНИЕ В АНАЛИТИЧЕСКОЙ ХИМИИ
417
Рис. 159. Влияние жесткости молекулы и замещения на разрешение коле-
бательной структуры в спектрах испускания флуоресценции в этаноле при
комнатной температуре.
2,2 —бензол и толуол; 3, 4—флуорен и дифенил; 5, 6 — 2,3-бензфлуорен и фенилнафталин;
7, 3 —3,4-оензкарбазол и фенил-2-нафтиламин.
лучше (кривые а и г на рис. 156). Часто присутствие «активных»
заместителей почти полностью лишает спектр колебательной
структуры и сдвигает его в область более длинных волн; приме-
рами могут служить фенол и анилин по сравнению с бензолом
или метоксинафталин по сравнению с незамещенным нафтали-
ном.
6. Замещение тяжелыми атомами (правило «к»)
Замещение-тяжелыми атомами увеличивает скорость интер-
комбинационной конверсии Si -> Ti благодаря спин-орбитальному
взаимодействию и, * следовательно, уменьшает эффективность
флуоресценции. Так, несмотря на то что хлор ориентирует в орто-
napa-положения, хлорбензол флуоресцирует гораздо хуже, чем
бензол; соединения с более тяжелыми атомами — бром- и иод-
бензолы — практически не флуоресцируют [329]. Аналогично эф-
фективности флуоресценции флуоресцеина, тетрабромфлуорес-
цеин'а (эозина) и тетраиодфлуоресцеина (эритрозина) в водном
растворе составляют соответственно 0,85, 0,22 и 0,02.
41S
ГЛАВА V
Д. АНАЛИЗ ОРГАНИЧЕСКИХ ВЕЩЕСТВ
1, Критерии чистоты
Сначала повторим еще раз некоторые практические правила
аналитической фотолюминесценции, которые были выведены из
основных механизмов, обсужденных в гл. I (см. также раз-
дел V, Г, 1):
а) Флуоресценция всегда испускается из самого нижнего
возбужденного синглетного состояния (единственное известное
исключение— азулен и его производные).
б) Фосфоресценция всегда испускается из самого нижнего
триплетного состояния (исключения неизвестны).
в) Спектры испускания флуоресценции и фосфоресценции
чистого вещества не зависят от длины волны возбуждения (иск-
лючения неизвестны).
г) Исправленные спектры возбуждения флуоресценции и
фосфоресценции близки или даже идентичны спектру поглоще-
ния (это справедливо для всех веществ, кроме тех, которые в
области очень коротких длин волн способны к внутримолекуляр-
ному переносу энергии или разложению).
д) Полоса испускания флуоресценции лежит в непосред-
ственной близости к самой длинноволновой полосе поглощения
(со стороны больших длин волн) (имеется много исключений).
е) Полоса фосфоресценции лежит при больших длинах волн,
чем полоса флуоресценции (исключения неизвестны).
Все эти правила (за исключением «д») можно использовать
в качестве строгого способа определения чистоты флуоресци-
рующего или фосфоресцирующего соединения, будь то стандарт-
ный образец или фракция, выделенная из смеси в ходе анализа.
Конечно, правила справедливы только для разбавленных рас-
творов, в которых эффекты внутреннего фильтра незначительны.
Таким образом, если известно, что вещество дает испускание
флуоресценции с максимумом при более коротких длинах волн,
чем его длинноволновая полоса поглощения, м®жно констати-
ровать присутствие примесей (правило «а»). Аналогично, если
испускание фосфоресценции наблюдается при более коротких
длинах волн, чем испускание флуоресценции, то это говорит ф на-
личии нескольких веществ (правила «б», «е»). Часто возникает
проблема, связанная с наличием очень слабого «хвоста» в длин-
новолновой области поглощения. Иногда 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
примесями, спектр возбуждения будет ниже, чем спектр погло-
щения в этой области (правило «г»). Может случиться, что при
всех длинах волн поглощение примесей будет меньше поглоще-.
ПРИМЕНЕНИЕ В АНАЛИТИЧЕСКОЙ ХИМИИ
419
ния главного компонента и, следовательно, в пределах ошибки
опыта правило «г» будет выполняться. Если, однако, примесь
флуоресцирует или фосфоресцирует, присутствие ее обнаружит-
ся по появлению второй 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 последнего может служить иони-
зация с образованием кислой и основной форм, каждая из ко-
торых имеет свои собственные спектры поглощения и испуска-
ния. Такие формы можно получить, если проводить измерение
в достаточно кислом или щелочном растворах (см. раздел IV, В).
Кроме того, вещество, например цис- и транс-стильбены, может
изомеризоваться в растворе. В строгом смысле такое соедине-
ние уже не является чистым. Зная структуру исследуемого ве-
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 поглощения.
Это может быть вызвано наличием флуоресцирующих примесей
в нефлуоресцирующем соединении, однако часто такие большие
стоксовы сдвиги обусловлены водородной связью или другими
эффектами растворителя (см. раздел IV, Е). Такие вещества,
однако, будут подчиняться и'другим 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 сдвигам. Так,
pH раствора, содержащего органическую кислоту (например,
Р-нафтол), можно довести до такого значения, при котором, как
это видно из спектра поглощения, существует только кислая
форма. Однако спектр испускания, все еще обусловленный ос-
новной формой, может появляться при значительно больших
длинах волн, чем спектр поглощения, или же он может содер-
жать полосы, обусловленные обеими формами. Чтобы избежать
этого, следует работать при достаточно высоком (или достаточ-
но низком) pH, так чтобы диссоциация в возбужденном состоя-
нии была незначительна. Появление новых полос испускания,
вызванных образованием возбужденного димера, обычно не слу-
жит препятствием^/при измерении быстрой флуоресценции для
аналитических целей, так как его проводят обычно при низких
концентрациях, поэтому образование димера незначительно. Од-
нако этим фактом не следует пренебрегать при измерении долго-
живущих спектров испусканц^ в жидком растворе (их аналити-
ческое применение рассмотрено в разделе V, Д, 4).
420
ГЛАВА V
Неожиданное появление полос испускания, наблюдаемое в
стеклообразных растворителях при низкой температуре, следует
подвергнуть тщательному изучению, чтобы убедиться, что они
не вызваны кристаллизацией части растворенного вещества в
процессе охлаждения. Присутствие растворенной и кристалли-
ческой форм эквивалентно присутствию двух различных ве-
ществ, так как, вообще говоря, кристаллы имеют специфические
спектры флуоресценции и фосфоресцёнции. Для кристаллов не-
которых соединений особенно характерно быстрое и (или) за-
медленное испускание возбужденного димера, который ошибочно
может быть принят за примесь.
2. Прямые методы анализа смесей "
по флуоресценции
Описанные выше способы определения чистоты, по сути дела,
являются методами анализа смесей, в которых концентрация
одного компонента значительно превышает концентрацию дру-
гих. Чтобы разработать методы анализа смесей, содержащих
один или несколько главных компонентов, можно применить
определенные практические правила. Сначала измеряют спект-
ры поглощения и испускания флуоресценции и (или) фосфорес-
ценции чистых компонентов. Если спектр испускания флуорес-
ценции или фосфоресценции одного компонента отличается от
соответствующих спектров испускания других компонентов, оче-
видно, в анализе этого соединения трудностей не будет. Если же
спектры испускания перекрываются, тогда по спектрам погло-
щения надо определить оптимальные длины волн для возбужде-
ния каждого компонента (с учетом спектров поглощения дру-
гих). Таким образом, часто можно получить достаточно чистые
спектры испускания возбуждением при соответствующих макси-
мумах поглощения, хотя возбуждение до некоторой степени мо-
жет сказываться и на других компонентах.
Рассмотрим сначала пример трехкомпонентной смеси, кото-
рую легко проанализировать, например смесь флуорена, фенан-
трена и антрацена, впервые исследованную Томмсом и Лейнин-
гером [333]. В разделе V, В, 5 был обсужден случай, когда флуо-
рен и антрацен содержатся в смеси в очень небольших концен-
трациях. Из обсуждения следует, что если все три компонента
присутствуют в качестве главных составных частей, их отдель-
ное прямое определение не составляет проблемы. Это вытекает
из того факта, что они имеют четко выраженные длинноволно-
вые пределы поглощения. Так, антрацен можно возбудить при
длине волны (например, 366 нм), не поглощаемой двумя дру-
гими соединениями. Фенантрен можно возбудить длиной волны
(например, 313 нм), не поглощаемой флуореном, и, хотя антра-
ПРИМЕНЕНИЕ В АНАЛИТИЧЕСКОЙ ХИМИИ 421
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, когда флуорен возбуждают более
короткой длиной волны, его флуоресценцию все еще можно из-
мерить, например «при 315 нм, где 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 другими соединениями, можно полу-
чить только для компонента, поглощающего при самой большой
длине волны. Так, Савицкий и сотр. [334] измерили спектр ис-
пускания перилена, возбуждаемого при 430 нм, в присутствии
25 других ароматических углеводородов. Тщательно подбирая
длину волны возбуждения, можно получить почти неискажен-
ным также и спектр другого компонента, поглощающего при
более короткой длине волны. Примером служит смесь бенз-(а)-
пирена и перилена, ,которую трудно разделить хроматографи-
чески. При 295 нм перилен поглощает слабее бенз-(а)-пирена,
и при возбуждении этой длиной волны для бенз-(а)-пирена, на-
ходящегося 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 pH раствора или
подвергнуть смесь такой химической обработке, чтобы превра-
тить ^определяемое вещество в соединение со спектром погло-
щения, сдвинутым к большим длинам волн, т. е. в область, где
другие компоненты не мешают. Например, в концентрированной
серной кислоте длинноволновый предел возбуждения бенз-(а)-
пирена сдвигается от ~400 к 520 нм с испусканием при 546 нм.
Таким способом его можно определить в присутствии 50 других
ароматических углеводородов [334]. 1
В этом и следующем разделах мы подробно останавливаемся
на анализе смесей незамещенных ароматических и гетероцикли-
ческих соединений. Это объясняется тем, что их спектры погло-
щения и испускания очень характерны и дают наглядные при-
меры возможностей фотолюминесцентного метода. Применение
тех же принципов возможно и в других случаях, рассматривае-
мых в последующих разделах, когда спектры многих соединений
гораздо менее характерны. Если спектр испускания состоит из
единственной широкий полосы, надежность идентификации мож-
но значительно повысить измерением спектра возбуждения.
Большая специфичность последнего объясняется тем, что спект-
ры поглощения флуоресцирующих органических соединений ча-
сто содержат по меньшей мере два максимума. Исправленный
спектр возбуждения фактически дает способ измерения спектра
поглощения4 дюминесцирующего соединения в присутствии
422
ГЛАВА V
больших количеств других поглощающих веществ (раздел I, Б,
4). Это было отмечено Паркером и Барнсом [131] еще в 1957 г.;
здесь приведены два примера, взятые из этой работы: опреде-
ление антиоксидантов а- и р-фенилнафтиламинов в вулканизо-
ванном каучуке. Эти соединения в дают интенсивные полосы
флуоресценции с максимумами при 2,34 и 2,42 мкм-1 (427 и
413 нм) (рис. 160, кривые А и В), и их можно непосредственно
наблюдать при возбуждении разбавленного экстракта резины
Рис. 160. Анализ сложных смесей [131].
------спектры испускания флуоресценции; -----спектры поглощения; Q приближенные
исправленные спектры возбуждения флуоресценции; А —чистый N-фенил-а-нафтиламин;
5 —экстракт каучука, содержащий N-фенил-а-нафтиламин; В —чистый N-фенил-З-нафтил-
амин; Г —экстракт каучука, содержащий N-фенил-Р-нафтиламин.
(рис. 160, кривые Б и Г). Принадлежность спектров флуорес-
ценции указанным соединениям можно подтвердить, измеряя
соответствующие спектры возбуждения, которые очень похожи
на спектры поглощения (с помощью более современных прибо-
ров найдено, что они-почти идентичны спектрам поглощения).
Напротив, результаты непосредственного измерения поглощения
экстрактов резины недостаточны для идентификации антиокси-
дантов, так как поглощение последних маскируется сильным по-
глощением смолы и других составных частей резины.
3. Прямые методы анализа смесей
по фосфоресценции
Часто в тех случаях, когда измерение флуоресценции не дает
ответа о составе смеси, ее можно проанализировать с помощью
фосфоресценции. Рассмотрим сначала анализ образцов флуо-
рена, очищенных методом зонной плавки [210]. Чистый флуорец
ПРИМЕНЕНИЕ В АНАЛИТИЧЕСКОЙ ХИМИИ
423
не поглощает в области короче 313 нм и, следовательно, при
возбуждении этой длиной волны не должен давать ни флуорес-
ценции, ни фосфоресценции. Спектр фосфоресценции вещества,
не разделенного на зоны, представлял собой сложную систему
полос (кривая А на рис. 161), пять из которых соответствовали
Рис. 161. Флуоресценция и фосфоресценция примесей в образцах флуо-
рена [210].
Возбуждение при 77 К в этаноле линией 313 нм, выделенной двойным монохроматором;
спектры фосфоресценции (кривые справа) сняты при чувствительности в 410 раз большей,
чем спектры флуоресценции (кривые слева); А —образцы флуорена (з-10— 2 м), исходный
материал; Б — образцы из области на расстоянии 4 см от верха колонки для зонной плавки;
В —только карбазол (4*10“6A4).
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 гораздо бо-
лее интенсивными, тогда как спектры образцов из нижних зон
практически не содерж*али полос карбазола (кривые А, Б и В
на рис. 162). Очевидно, что карбазол накапливается в верхних
зонах и может быть полностью отделен от флуорена. Найдено,
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,
424
Глава v
и б на рис. 162). Если увеличить или концентрацию флуорена,
или интенсивность возбуждающего света, или чувствительность
регистрирующей системы, то можно обнаружить и более низкие
концентрации карбазола. Отметим, что для получения йозбу-
ждающего света, достаточно чистого для того, чтобы избежать
возбуждения самого флуорена, пришлось использовать двойной
Длина волны, нм
Рис. 162. Флуоресценция и фосфоресценция примесей в образцах флуо-
рена [210].
Возбуждение при 77 К в этаноле линией 313 нм, выделенной двойным монохроматором;
спектры фосфоресценции (кривые справа) сняты при чувствительности в 410 раз большей,
чем спектры флуоресценции (кривые слева); А, Б, В — флуорей (3’10“2м) из областей,
расположенных на расстоянии соответственно 15, 30 и 45 см от верха колонки для зонной
плавки; Г—(3-метилнафталин (10~3 м).
монохроматор. Отметим также, что быстрая флуоресценция кар-
базола в исходном образце маскируется флуоресценцией второй
примеси и поэтому не может быть использована для его обна-
ружения. Быстрой флуоресценции второй примеси сопутствова-
ли полосы фосфоресценции, обозначенные на рис. 161 и 162 как
17-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 фотографической записи спектра фосфо-
ресценции, возбуждаемой длинами волн, которые возбуждают
ПРИМЕНЕНИЕ В АНАЛИТИЧЕСКОЙ ХИМИИ
425
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 фосфоресценция
флуорена. Канда и сотрудники наблюдали 0-0-полосу дибензо-
фурана при его концентрации 10-6 М,
Рис. 163. Фосфоресцирующие примеси в бенз-(а)-пирене [210].
Возбуждение бенз-(а)-пирена (10“4 м) в этаноле при 77 К линией 313 нм; А —необрабо-
танный материал; Б, В — образцы из области на расстоянии 4 и 0,5 см от верха колонки
для зонной плавки.
Несколько иной принцип был использован для обнаружения
следов примесей при зонной очистке бенз-(а)-пирена [210]. Это
соединение поглощает 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 поглощают при длинахфолн 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 измерения фосфоресценции очень эффективны. Более того.
Рис. 164. Фосфоресцирующие примеси в бенз-(а)-пирене [210].
Возбуждение бенз-(а)-пирена (10“4Л() в этаноле при 77 К светом 366 нм; Л —необрабо-
танный материал; Б —образцы из области на расстоянии 4 см от верха колонки для зон-
ной плавки.
Рис. 165. Идентификация примесей в техническом пирене [337].
1, 3, 5—спектры фосфоресценции технического пирена в смеси эфир — пентан —этанол
при 77 К; возбуждение светом 360, 290 и 340 нм; 2, 4, 5 —чистые образцы флуорантена,
бензо-Г&]-нафто-[1,2-г/]-фурана и бензо-[^]-нафто-|2,3-г/]-фурана.
ПРИМЕНЕНИЕ В АНАЛИТИЧЕСКОЙ ХИМИИ
427
фосфоресценция самого бенз-(а)-пирена может быть использо-
вана в качестве внутреннего стандарта. Так, бенз-(а)-пирен
(10-4 М) в замороженном растворе при толщине слоя 2 мм по-
глощал около 15% света при 313 нм и 65% при 366 нм, поэтому
его поглощение не препятству-
ет возбуждению примесей.
Перекристаллизованный, но не
подвергнутый 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 содер-
жание ответственной за них
примеси при зонной очистке
быстро уменьшалось по на-
правлению к нижней части ко-
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 груп-
па полос, которая упорно про-
являлась во всех частях ко-
лонки, была обусловлена нали-
чием хризена (С7/-полосы на
рис. 163). Методом стандарт-
ных добавок было определено,
что содержание хризена со-
ставляет не менее 0,03% даже
после многократных разделе-
Длмна волны, нм
Рис. 166. Определение трифенилена
во фракциях смолы по фосфоресцен-
ции при 77 К в смеси эфир — пен-
тан — этанол [337].
/ — фракция смолы, содержащая трифени-
лен; 2 —чистый трифенилен.
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 приготовили для. измерения его полного спектра
испусканйя_фосфоресценции.
В качестве следующего примера анализа смесей приведем
работу Цандера [337], который исследовал применение фотолю-
минесцентноТо анализа в химии каменноугольной смолы [338—
341]. Пирен фосфоресцирует хуже, чем некоторые из его приме-
сей, что создает благоприятные условия для изучения его
428
ГЛАВА V
с помощью фосфоресцентного анализа. Обнаружение трех глав-
ных примесей в техническом пирене иллюстрирует рис. 165. Воз-
буждение при 360 нм (в пределах сильной полосы поглощения
флуорантена) дало почти неискаженный спектр фосфоресценции
этой примеси (кривая 1), а правильность идентификации была
подтверждена измерением времени жизни фосфоресценции. Воз-
буждение при 290 нм дало другой спектр (кривая 3), в котором
две главные полосы соответствуют полосам бензо-[&]-нафто-
[1,2-б/]-фурана (кривая 4). Наконец, возбуждение при 340 нм
привело к третьему спецтру фосфоресценции (кривая 5), одна
часть которого обусловлена флуорантеном, а другая (коротко-
волновая) была приписана бензо-[6]-нафто-[2,3-б/]-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 того, он показал, что
измерение фосфоресценции является простым и надежным пря-
мым методом определения сильно фосфоресцирующего трифе-
нилена в присутствии нескольких различных 5-цйклических со-
единений во фракциях каменноугольной смолы, содержащих 2%
этого вещества (рис. 166). Для идентификации и определения
Цандер использовал интенсивный максимум испускания три-
фенилена в области 463 нм. Возбуждение проводилось в макси-
муме поглощения трифенилена при 258 нм. При концентрациях
ниже 10-5 М удавалось избегать эффекта внутреннего фильтра,
обусловленного присутствием других компонентов. Хотя фрак-
ции смолы содержат много других фосфоресцирующих соедине-
ний, в области 463 нм ни один из этих спектров не создавал
серьезных помех.
4. Прямые методы анализа смесей
по сенсибилизованной замедленной флуоресценции
Хотя для анализа смесей можно иногда разработать прямые
спектрофлуориметрические или спектрофосфориметрические ме-
тоды, их применение является далеко не универсальным. В свя-
зи с затруднениями, связанными с процессом выделения (высо-
кий фон реагента, случайные загрязнения и потеря вещества),
стоит рассмотреть любые другие методы, с помощью которых
можно различить компоненты смесей родственных органических
соединений. Здесь мы обсудим возможности сенсибилизованной
замедленной флуоресценции. Испускание сенсибилизованной
замедленной флуоресценции (см. раздел И, Г, 5) может проис-
ходить по двум механизмам, первая стадия которых предпола-
гает перенос энергии от триплета донора к синглету акцептора
+ (434)
ПРИМЕНЕНИЕ В АНАЛИТИЧЕСКОЙ ХИМИИ
429
за которым следует либо самотушение триплетов
3Л + 3Л->М* + Ч (435)
либо перекрестное тушение триплетов
sA + sD'-+'A* + 1D. (436)
Каждый из этих процессов приводит к заселению синглетного
уровня акцептора и, следовательно, к испусканию им сенсиби-
лизованной замедленной флуоресценции. Перекрестный меха-
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 II, Г, 5, а здесь мы приведем его для удоб-
ства изложения
(437)
Отметим, что для низких концентраций акцептора (таких, что
тушение триплетного уровня донора происходит лишь в незна-
чительной степени) td приблизительно постоянно. В этом случае
выход сенсибилизованной замедленной флуоресценции прямо
пропорционален концентрации акцептора [Л] и не зависит от
других 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, тл = rD === 5 мс, kc (этанол)= 0,57-
•1010 л/(моль-с) при 22°С, Ia = 5-Ю-6 эйнштейн/(л• с), -фР =
= 0,1 и фл==0,5. При концентрации акцептора 10-8 М выход его
сенсибилизованной замедленной флуоресценции 0л составляет
10-3, т. е. находится в пределах возможностей измерения на хо-
рошем спектрофосфориметре. Далее, для концентраций 10-8 М
и ниже величина 0л приблизительно пропорциональна [Л] и все
присутствующие в системе акцепторы будут испускать спектры
собственной сенсибилизованной замедленной флуоресценции не-
зависимо от присутствия других. Конечно, при высокой концен-
трации одного из акцепторов он будет тушить все триплеты до-
нора и, следовательно, сенсибилизованная замедлейЙая флуорес-
ценция других присутствующих в смеси акцепторов (с гораздо
более низкой концентрацией) не проявится. При —75° С в эта-
ноле положение даже более благоприятно, так как, хотя kc
уменьшается приблизительно в 20 раз <(см. рис. 24), для многих
соединений времена жизни триплетов увеличиваются в 10—
20 раз, и часто 0л для данной концентрации акцептора будет
приблизительно в 10—20 раз больше, чем при комнатной тем-
пературе.
430
ГЛАВА V
Наблюдение такой сенсибилизованной замедленной флуорес-
ценции особенно ценно в качестве критерия чистоты ароматиче-
ских углеводородов, имеющих относительно высокие триплетные
уровни [111, 125]. Методика состоит просто в измерении спектра
замедленной флуоресценции откачанного и довольно концентри-
рованного раствора образца с использованием высокой интен-
сивности возбуждающего света, поглощаемого основным компо-
Длкнд волны, нм
Рис. 167. Замедленная флуоресценция бенз-(а)-пирена и пирена, сенсибили-
зованная фенантреном [125].
Раствор фенантрена (10— 3 м), бенз-(а)-пирена (10—9 м) и пирена (10— 9 м) в этаноле при
22° С; / — замедленная флуоресценция, возбуждаемая светом 313 нм при скорости погло-
щения 10— 6 эйнштейн/(л«с); 2 — то же, но После освещения в течение 30 мин; 3 —быстрая
флуоресценция при чувствительности в 600 раз меньше.
нентом. Если спектр замедленной флуоресценции отличается от
спектра быстрой флуоресценции, то можно предполагать при-
сутствие примесей. Следует учитывать возможность испускания
возбужденного димера основного компонента, например пирена;
однако его спектр состоит из широкой бесструктурной полосы,
тогда как спектры сенсибилизованной замедленной флуоресцен-
ции примесей ароматических углеводородов почти всегда 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 ко-
личестве 1 ч. на 106 ч. фенантрена [125]. Второй иллюстрирует
ПРИМЕНЕНИЕ В АНАЛИТИЧЕСКОЙ ХИМИИ
431
обнаружение неожиданной примеси в перекристаллизованном и
очищенном зонной плавкой образце флуорена [125], а третий
показывает, сколь высока интенсивность сенсибилизованной за-
медленной флуоресценции примеси в дважды перекристаллизо-
ванном образце хризена [104].
300 340 380 420
Длина волны, нм
Рис. 168. Сенсибилизованная замедленная флуоресценция примесей во
флуорене [125].
5*10"“5 М раствор флуорена в этаноле при —75° С; /—замедленная флуоресценция, воз-
буждаемая линией 302 нм при скорости поглощения света 0,9* 10“6 эйнштейн/(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 энергии возбуждающего света (довольно большой
по отношению к концентрации 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 возбуждающего света чрезвычайно высокой ин-
тенсивности могут 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 исходного раствора (кривая 1)
светом очень высокой интенсивности наблюдалось чрезвычайно
быстрое уменьшение максимума испускания бенз-(а)-пирена.
Вначале исходную интенсивность можно восстановить, встряхи-
вая кювету и освещая свежие порции раствора. Но цосл§
432
ГЛАВА V
продолжительного освещения со встряхиванием почти весь пи-
рен и бенз-(а)-пирен разлагаются, как это видно из рис. 167
(кривая 2).
Измерение сенсибилизованной антистоксовой замедленной
флуоресценции (см. раздел II, Г, 6) открывает интересные воз-
можности. Так, Паркер, Хатчард и Джойс [ПО, 125] показали,
что тщательным подбором красителя в качестве триплетного
Рис. 169. Сенсибилизованная замедленная флуоресценция примесей в хри-
зене [104].
2,6>10“5 М раствор хризена в этаноле при 21° С; 1 — быстрая флуоресценция при чувстви-
тельности, равной 3; 2 —замедленная флуоресценция при чувствительности 400, имеющая
слабую полосу хризена; 3 — замедленная флуоресценция при чувствительности 25, имеющая
интенсивные полосы примеси. Скорость поглощения света 2-10“"6 эйнштейн/(л • с).
сенсибилизатора можно селективно сенсибилизовать замедлен-
ную флуоресценцию определенных компонентов смеси. В табл. 49
приведены результаты, полученные с шестью ароматическими
углеводородами и тремя сенсибилизаторами. Так, профлавин
сильно сенсибилизовал бензантрацен, антрацен, бенз-(а)-пирен
и перилен, поскольку триплетные уровни этих углеводородов ле-
жат значительно ниже, чем у профлавина. Сенсибилизация пи-
рена была слабой, так как его триплетный уровень лишь немно-
го ниже уровня профлавина, а сенсибилизация нафталина —
совсем незначительной, так как его триплетный уровень лежит
выше уровня профлавина. Два других сенсибилизатора (акри-
ПРИМЕНЕНИЕ В АНАЛИТИЧЕСКОЙ ХИМИИ
433
диновый оранжевый и эозин), которые имеют более низкие энер-
гии триплетов, хорошо сенсибилизуют лишь углеводороды, при-
веденные в нижней .части табл. 49, а эозин сенсибилизует только
Таблица 49
Селективная сенсибилизация замедленной флуоресценции
при 22 °C [125]
Соединение Триплет- ный уровень, мкм”1 ел.ю<
сенсибилизатор
хлор- гидрат про- флавина хлор- гидрат акридино- вого оранже- вого эозин
Нафталин 2,12 <0,02 <0,02 <0,02
Хлоргидрат профлавина 1,71 — > — —
Пирен 1,69 0,2 <0,02 <0,02
1,2-Бензантрацен 1,65 0,9 <0,02 <0,02
Хлоргидрат акридино- 1,60 — — —
вого оранжевого
Антрацен 1,48 2 3 0,02
3, 4-Бензпирен 1,47 6 5 0,2
Эозин 1,42 — — —
Перилен 1,26 0,8 2 5
Примечание. Концентрация акцепторов 10 6 М. Скорость погло-
щения света донорами: 6*10”6, 5,5*10“б и 1Ы0”6 эйнштейн/(л*с) при 436,
436 и 546 нм для хлоргидрата профлавина, хлоргидрата акридинового оран-
жевого и эозина соответственно.
перилен. На рис. 170 показан пример практического примене-
ния селективной сенсибилизации. Он относится к обнаружению
6,01% антрацена в образце пирена, содержащем, кроме того,
0,01 % 1,2-бензантрацена. Использование для анализа этой си-
стемы обычной спектрофлуориметрии затруднено, так как
спектры поглощения и испускания всех трех соединений пере-
крываются. Измерение фосфоресценции нецелесообразно, по-
скольку фосфоресценция антрацена очень слаба. Использование
самого пирена в качестве сенсибилизатора нежелательно, так
как это приведет к сенсибилизации замедленной флуоресценции
1,2-бензантрацена, а также к замедленному испусканию его ди-
мера, если только антрацен присутствует не в той концентрации,
которая достаточна для сильного тушения триплета пирена.
Из табл. 49 видно, что триплетный уровень акридинового оран-
жерого лежит ниже уровня пирена и 1,2-бензантрацена? но выще
434
ГЛАВА V
соответствующего 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 другим аналити-
ческим методам, имеет ряд ограничений. В частности, чистый
Рис. 170. Обнаружение антрацена в образце пирена путем селективной
сенсибилизации замедленной флуоресценции [125].
Раствор содержал 10“2 М пирена, I0“6 М 1-2-бензантрацена и 10“6 М антрацена
с 1,7*10“5 М хлоргидрата акридинового оранжевого в качестве сенсибилизатора при 22° С;
/ — замедленная флуоресценция, возбуждаемая светом 436 нм при скорости поглощения
6-10“6 эйнштейн/(л • с); 2—быстрая флуоресценция при чувствительности в 4000 раз
меньше.
спектр сенсибилизованной замедленной флуоресценции можно
получить только для того компонента смеси, у которого наи-
меньшая триплетная энергия. Сенсибилизация с более высокой
энергией триплетов дает смешанный спектр, обусловленный не-
сколькими компонентами.
5. Другие методы анализа, основанные на быстрой
флуоресценции в жидком растворе
К этой группе относится наибольшее число известных фото-
люминесцентных методов, применяющихся в таких областях, как
биология, медицина, биохимия растений, сельское хозяйство, пц-
ПРИМЕНЕНИЕ В АНАЛИТИЧЕСКОЙ ХИМИИ
435
Щевая и фармацевтическая промышленность и т. д. Эти методы
могут быть полезны при решении таких проблем, как загрязне-
ние воздуха, анализ естественных продуктов (нефть), а также
продуктов переработки каменного угля (см. предыдущие раз-
делы). Мы рассмотрим лишь несколько методов, которые могут
служить примером применения для решения проблем, связанных
с определением следовых количеств сложных веществ, спектры
которых обычно довольно размыты.
Несомненно, что большие успехи спектрофлуориметрии в об-
ласти биохимии, биологии и медицины в значительной степени
обусловлены фундаментальными работами Юденфренда и со-
трудников, большинство из которых описано в прекрасной моно-
графии [342]. Мы кратко остановимся на этих областях примене-
ния прежде всего для того, чтобы проиллюстрировать использо-
вание метода для анализа органических веществ. Многие
биологически важные соединения флуоресцируют (правда, иног-
да в области довольно коротких длин волн), и наилучшие мето-
ды, основанные на природной флуоресценции, заключаются
обычно в регистрации испускания при больших длинах волн, где
не мешают другие соединения, присутствующие в биологическом
материале. Методы, основанные на естественной флуоресценции,
используются, например, для анализа витамина А, рибофлавина,
лекарственных препаратов (хинин и порфирины) и раститель-
ных пигментов.
Из обычных аминокислот флуоресцируют только те, которые
содержат ароматические системы, например триптофан, тирозин
и фенилаланин [343]. Они поглощают только ниже 300 нм, и в
этой области возбуждаются также многие другие распространен-
ные соединения, например продукты гидролиза белков. Поэтому
Ваалкс и Юденфренд [344] разработали для тирозина химиче-
ский метод (реакция с а-ни.трозо-р-нафтолом в присутствии азот-
ной и азотистой кислот) получения флуоресцирующего продукта,
который можно возбудить в видимой области при 460 нм. Такой
способ применяется, например, для определения тирозина в плаз-
ме или ткани с использованием сравнительно простой методики,
не требующей полного выделения тирозина. В биохимических
исследованиях такой принцип — сдвиг параметров флуоресцен-
ции в более длинноволновую область — очень часто используется
с целью избежать помех, обусловленных многими сопутствую-
щими веществами, и обеспечить более надежную идентифи-
кацию.
Разработка некоторых методов требует большой химической
изобретательности. Хорошим примером может служить приме-
нение реакции триоксииндола (реакция замыкания цикла) для
одновременного определения эпинефрина и норэпинефрина [342].
436
ГЛАВА V
Реакция включает следующие стадии (R = СН3, эпинефрин;
R = Н, норэпинефрин):
Триоксииндол
(флуоресцирует)
При pH 6,5 реагируют оба амина, а при pH 3,5 только эпине-
фрин. Используются и многие другие реакции с замыканием
цикла, например реакция гексоз (в частности, глюкозы с 5-окси-
тетралоном-1) в серной кислоте с образованием флуоресцирую-
щего бензонафтендиона [345]
или реакции поликарбоновых кислот с резорцином; так, яблоч-
ная кислота дает умбеллоферон-4-карбоновую кислоту:
СО2Н
Многие, реакции конденсации в серной кислоте с добавлением
или без добавления другого реагента приводят к флуоресцирую-
щим продуктам (часто неизвестной структуры), которые исполь-
зуются для аналитических целей. Уже не раз говорилось о том,
что при разработке новых аналитических методов для конкрет-
ных проблем органического анализа-не следует, конечно, исклю-
чать из рассмотрения и флуориметрические методы, даже если
естественная флуоресценция отсутствует.
ПРИМЕНЕНИЕ В АНАЛИТИЧЕСКОЙ ХИМИИ
437
Приведем еще один пример химического метода из другой
области, а именно анализ продуктов, загрязняющих воздух, для
которых Савицкий и сотрудники разработали систему анализа,
основанную на хроматографии в сочетании с фотолюминесцент-
ными измерениями (см., например, [346, 347]). Одним из соеди-
нений, исследованных в этих работах, является циклогексан-
дион-1,4, который реагирует с о-фталевым альдегидом в серной
кислоте, давая дикатион пентаценхинона:
он
Это соединение испускает флуоресценцию при 650 нм с харак-
терным спектром возбуждения, имеющим максимумы при 350,
575 и 625 нм и перегибы при 382 и 540 нм. Предел обнаружения
составляет 10"6г [348].
Обратимся теперь к совершенно другой области. Не говоря
уже о применении спектрофлуориметрии для определения кон-
кретных веществ, ее можно использовать в качестве эмпириче-
ского метода, или «метода отпечатков пальцев» для идентифика-.
ции сложных смесей естественного и искусственного происхожде-
ния или для сравнения различных фракций, полученных из
природных продуктов. Мы рассмотрим здесь применение спектро-
флуориметрии для анализа нефтяных фракций. Видимая флуо-
ресценция нефтяных масел и сложных смесей углеводородов,
таких, как вазелин, воск и т. д., была известна давно; она обуслов-
лена следами ароматических или гетероциклических соедине-
ний, поглощающих в ближней ультрафиолетовой или фиолетовой
областях. Эйзенбранд [349, 350] исследовал такое испускание из
жидкого парафина и желтого вазелина и церезина, возбуждае-
мых линией ртути 366 нм. Эта флуоресценция в расчете на еди-
ницу концентрации суммарного углеводорода слаба и относи-
тельно неспецифична. Паркер и Барнс [351] наблюдали гораздо
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 двигателей 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 углеводоро-
дами, присутствующими в этой конкретной фракции самой
438
ГЛАВА V
нефти. Они применили метод для определения масляного тумана
в воздухе из компрессоров. Через небольшие диски фильтро-
вальной бумаги было пропущено около 50 л воздуха. Фильтр
промывали небольшим объемом циклогексана и измеряли интен-
сивность флуоресценции. Чтобы избежать ошибок, связанных с
изменением содержания ароматических соединений в смазочных
маслах, приготовляли стандартные растворы (для сравнения)
Рис. 171. Флуоресценция циклогексановых растворов нефтяных продуктов
при комнатной температуре.
Возбуждение линией 250 нм, выделенной решеточным монохроматором с фильтрами 0X7
и хлорным; ширина полосы анализирующего монохроматора 3,3 нм; / — сырое масло,
2 мкг/мл, X 2,5; 2—автомобильная смазка, 20 мкг/мл, XI; 3 — автомобильное дизельное
топливо, 20 мкг/мл, XI; 4— автомобильный бензин, 20 мкг/мл, X 2; 5 —только цикло-
гексан, X 15.
из образца масла, взятого из резервуара компрессора. Чувстви-
тельность была ограничена фоном от фильтровальной бумаги и
циклогексана. Она составляла около 0,6 мкг масла на 1 мл
циклогексана или 0,06 мкг масла на 1 л воздуха.
Если использовать возбуждающий свет высокой интенсивно-
сти при 250 нм и большой решеточный монохроматор для ана-
лиза испускания флуоресценции, то можно обнаруживать очень
низкие концентрации смазочных масел в циклогексане. Так,
сравнение кривых 2 и 5 на рис. 171 показывает, что предел здесь
определяется фоном растворителя и составляет приблизительно
0,02 мкг/мл. Сравнение спектров различных нефтяных продуктов
(рис. 171) показывает, что чем легче фракция, тем короче длина
волны главного максимума испускания флуоресценции. По-види-
мому, автомобильный бензин содержит соединения бензоидного
типа. Дизельное топливо дает значительное испускание в об-
ПРИМЕНЕНИЕ В АНАЛИТИЧЕСКОЙ ХИМИИ
439
ласти нафталина, тогда как максимальное испускание смазоч-
ного масла появляется в области фенантрена при ~360 нм. Не-
очищенное масло содержит, кроме того, более сложные соедине-
ния, испускающие при больших длинах волн. Почти нет
сомнения, что фотолюминесценция может служить мощным ме-
тодом исследования ароматических и гетероциклических соеди-
нений, присутствующих в неочищенных маслах, особенно после
их предварительного выделения с помощью различных типов
хроматографии. Характерные тесты могут быть основаны и на
низкотемпературной флуоресценции и фосфоресценции (см. раз-
дел У,Д, 7).
Новое применение спектрофлуориметрий в жидком растворе
было описано Армстронгом и Грантом [352], которые сконструи-
ровали высокочувствительный химический дозиметр для ионизи-
рующего 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.
Армстронг и Грант нашли, что интенсивность флуоресценции
является линейной функцией концентрации салициловой кис-
лоты, которая пропорциональна дозе рентгеновского или гамма-
излучения в пределах от 5 до 100 рад. Применение подобного
принципа при конструировании чувствительного химического
актинометра для видимого и ультрафиолетового света было бы
интересным, если бы удалось найти вещество, фотолиз которого
приводит к продукту, определяемому спектрофлуориметрически.
Применение высокочувствительной спектрофлуориметрии в
качестве метода анализа следов вещества сравнительно не-
сложно. Добавляя относительно небольшие количества сильно
флуоресцирующего красителя в воду, можно следить за движе-
нием больших ее масс [157].
6. Тушение флуоресценции и косвенные методы
анализа
Поскольку очень многие органические вещества обладают
естественной флуоресценцией или могут быть превращены во
флуоресцирующие вещества, косвенные методы используются
редко, если не считать одной важной группы, а именно методов,
используемых для анализа ферментов и исследования кинетики
ферментативных реакций. Эти методы основаны на способности
фермента катализировать определенную органическую реакцию,
один из продуктов которой либо флуоресцирует, либо может
быть переведен во флуоресцирующее вещество. Реакция про-
водится при соответствующих условиях, и скорость образования
440
ГЛАВА 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
органическом анализе, однако можно представить себе ситуации,
когда его можно применить для повышения селективности. На-
пример, насыщение раствора пирена в циклогексане воздухом
тушит флуоресценцию приблизительно в 20 раз, тогда как для
антрацена и многих других ароматических углеводородов флуо-
ресценция уменьшается лишь незначительно. Таким образом, на-
сыщение раствора воздухом при определении антрацена сведет
к минимуму мешающее действие пирена; затем для определения
последнего можно дегазировать раствор, чтобы увеличить’испу-
скание пирена. Использование тушения для определения моле-
кулярного кислорода обсуждается в разделе V, Ж, 3.
7. Другие методы анализа, основанные
на флуоресценции и фосфоресценции в стеклообразных
средах
Исключительно высокая чувствительность и надежность, ко-
торые могут быть достигнуты при использовании фосфоресцен-
ции при 77 К в анализе некоторых ароматических углеводородов
и гетероциклических соединений, были частично обсуждены в
разделе V, Д, 3, где были упомянуты работы Цандера [337] и
Паркера [210]. Теперь мы опишем применение этого метода для
анализа других типов, соединений. Спектрофосфориметрия и
спектрофлуориметрия в значительной степени дополняют друг
друга, так как отсутствие флуоресценции у поглощающей 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 твердых средах, предложили использовать
фосфоресценцию органических молекул для их идентификации.
Это предложение было разработано Кэйрсом и сотр. [353], кото-
рые отметили, что спектры фосфоресценции более 200 соедине-
ний в твердых средах при низкой температуре, уже изученные
фотохимиками, представляют благодатное поле деятельности для
химиков-аналитиков. Они создали экспериментальные схемы для
анализа смесей, таких, например, как бензальдегид, 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-
трограф для записи спектров испускания. Они предположил#
йрймёнёнйе в АнАЛИТЙЧЕСКОЙ хймйи
441
также, что измерение времени жизни фосфоресценции или тща-
тельный контроль за длиной волны возбуждения могут помочь
при определении соединений, имеющих аналогичные спектры
испускания фосфоресценции. Фрид и Сальмре [354] использовали
спектры фосфоресценции для того, чтобы различить некоторые
производные индола, имеющие значение при изучении цен-
тральной нервной систе-
мы. Они работали со
смесью метанол — этанол
'(9:1) при 77 К и нашли,
что чувствительность ог-
раничивается фосфорес-
ценцией примесей в раст-
ворителе и кюветы из
плавленого кварца. Воз-
можности измерения фос-
форесценции как метода
анализа обсуждены в
статьях Хольцбехера
[355] и Паркера и Хат-
чарда [203]. В последней
статье Паркер и Хатчард
показали, что можно до-
стичь высокой чувстви-
тельности при использо-
вании монохроматическо-
го возбуждающего света,
выделенного монохрома-
тором (см., например,
рис. 172), и. продемонст-
рировали возможность
записи - исправленных
Рис. 172. Спектры испускания фосфорес-
ценции разбавленных растворов антрахи-
нона в смеси эфир — пентан — этанол при
77 К.
Возбуждение при 3,19 мкм*”1 (313 нм); кварцевый
анализирующий монохроматор с фотоумножителем
9558Q; полуширина полосы 0,024 мкм”1 при
2,5 мкм'1; А —только растворитель; Б —антрахи-
нон в растворителе, 0,03 мкг/мл; В —то же„
0,06 мкг/мл; Г —то же, 0,09 мкг/мл.
спектров возбуждения
фосфоресценции (рис. 173). Они рекомендовали использовать
раздельные прерыватели (см. раздел III, Н, I), чтобы суммар-
ный спектр фосфоресценции и флуоресценции и спектр только
фосфоресценции было удобно измерять один за другим.
Вайнфорднер и сотрудники описали ряд методов определения
соединений, представляющих фармакологический интерес. Вайн-
форднер и Лац [356] определйли аспирин в 0,4 мл сыворотки
или плазмы крови экстракцией хлороформом, упариванием, из-
мерением фосфоресценции при 77 К в смеси эфир — пентан —
этанол (5:5:2) с использованием для возбуждения «белого»
света ксеноновой дуги и измерением фосфоресценции при 410 нм.
Им удалось надежно определить 10—1000 мкг аспирина на 1 мл
сыворотки или плазмы, причем суммарный фон соответствовал
442
ГЛАВА V
приблизительно 5 мкг 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 мкг/мл для лидокаина до 0,005 мкг/мл для бензойной
кислоты. Они разработали методы определения новокаина, лю-
минала, кокаина и хлорпромазина-в сыворотке крови, а также
кокаина и атропина в моче [358]. Методы основаны на экстрак-
ции хлороформом или
эфиром, упаривании и из-
мерении в эфир-пентан-
спиртовом стекле. Авторы
отметили [357], что для
одних смесей анализ мож-
но провести непосредст-
венно путем соответст-
вующего подбора длин
волн возбуждения и ис-
пускания, а другие тре-
буют предварительного
разделения. в Вайнфорд-
нер и Мой [359] описали
метод определения нико-
тина, норникотина и ана-
базина в табаке, основан-
ный на экстракции ще-
лочного раствора хлоро-
формом, выделении с по-
мощью тонкослойной хро-
Волновое число возбуждающего света.
Рис. 173. Спектр возбуждения фосфорес-
ценции антрахинона в смеси эфир — пен-
тан — этанол при 77 К [203].
А — спектр возбуждения; Б — спектр поглощения
в этаноле при 295 К.
матографии и фосфориметрическом измерении при 77 К в этано-
ле, содержащем 2% H2SO4. Все три соединения дали аналогич-
ные спектры возбуждения (270 нм) и испускания (385 нм)
фосфоресценции.
Чтобы избежать ошибок, которые могут появиться в резуль-
тате небольшого 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 определяемого
соединения. Очень удобным стандартом для смесей растворите-
лей, содержащих этанол, является хлоргидрат окисленной формы
диаминфеноксазина:
Это соединение — кислородный аналог тионина; оно имеет боль-
шую эффективность флуоресценции, чем последний, с максиму-
ПРИМЕНЕНИЕ В АНАЛИТИЧЕСКОЙ ХИМИИ
443
мом при 600 нм, т. е. достаточно далеко от области флуоресцен-
ции большинства соединений. Его флуоресценцию можно успеш-
но использовать в качестве стандарта и для измерений фосфо-
ресценции, если применять устройство с двумя синхронными
прерывателями (см. раздел III, Н, 1), позволяющими легко пере-
ходить от одного режима к другому. Это соединение фосфорес-
цирует в инфракрасной области и, следовательно, не мешает из-
мерению'фосфоресценции других соединений.
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 0X7
и хлорным; ширина полосы анализирующего монохроматора 3,3 нм; 1 — сырое масло (кривая
характеризует в основном флуоресценцию; фосфоресценция возникает между 420 и 570 нм
с максимальной интенсивностью, равной приблизительно 1/4 максимальной интенсивности
флуоресценции); 2 — смазка для автомобильного двигателя (часть кривой выше 420 нм—
в основном фосфоресценция; истинная относительная интенсивность в три раза больше;
см. раздел III, Н, 2); 3 — автомобильное дизельное топливо (часть кривой выше 420 нм—
в основном фосфоресценция; см. приведенное выше для кривой 2); 4 — автомобильный
бензищ(кривая характеризует в основном флуоресценцию; фосфоресценция появляется
между 360 и 480 нм с максимальной интенсивностью, составляющей примерно 1/7 макси-
мальной интенсивности флуоресценции).
Дополнительные экспериментальные данные можно получить,
если проводить 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
1/з ее истинного значения (см. раздел III, Н, 2). Все четыре об-
разца при низких температурах дали характерные и более
444
ГЛАВА V
разрешенные спектры флуоресценции. Смазочное масло оказа-
лось уникальным в том отношении, что интенсивность фосфорес-
ценции была того же порядка, что и интенсивность флуоресцен-
ции. При антифазной установке прерывателей были измерены
спектры чистой фосфоресценции (без флуоресценции). Все
спектры фосфоресценции имели некоторую структуру, что могло
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 органических
стеклах (полимерах) при комнатной температуре. Так, напри-
мер, Остер и сотр. [360] нашли, что в этих условиях многие аро-
матические углеводороды и красители фосфоресцируют. Для
введения вещества в твердый раствор они использовали три ме-
тода: высаживание из растворителя, плавление с растворяемым
веществом и полимеризацию мономера, в котором вещество было
растворено. Для ароматических углеводородов 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 сделан вывод, что на триплетное тушение влияет
не только микроброуновское движение полимерных сегментов,
но также специфическое взаимодействие с полимерной матрицей.
Драшел и Саммерс [361] описали методы определения неко-
торых ингибиторов в этиленпропиленовом каучуке непосред-
ственным измерением их флуоресценции и фосфоресценции. Они
привели данные для трех ингибиторов: полимерного тригидро-
метилхинолина, 2,2,-диметил-5,5,-ди~трет-бутил~4,4'-диоксидифе-
нилсульфида и фенил-2-нафтйламина. Основная трудность свя-
зана с эффектами внутренних фильтров, и для получения коли-
чественных результатов при измерениях следует вносить по-
правку на толщину полимерной пленки.
8. Методы, основанные на флуоресценции твердых
растворов •
Спектры флуоресценции с колебательной структурой высоко-
го разрешения, полученные для замороженных растворов неко-
торых соединений в насыщенных н-парафинах, были рассмотрев
ПРИМЕНЕНИЕ В АНАЛИТИЧЕСКОЙ ХИМИИ
445
ны в разделе IV, Е, 5. Измерение таких спектров Шпольского
имеет значительные преимущества перед другими аналитиче-
скими методами. Длины волн главных максимумов можно вы-
делить с большой точностью, что обеспечивает надежную иден-
тификацию. Такие характерные резкие пики часто можно легко
выделить на фоне широ-
ких полос испускания,
обусловленных присут-
ствием больших , коли-
честв других фосфоресци-
рующих веществ. Пожа-
луй, самое важное при-
менение описываемого
метода состоит в опреде-
лении следов канцероген-
ного 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 группы линий
при 366 нм, и большой
двойной монохроматор со
стеклянной призмой для
анализа спектров испус-
кания растворов в н-окта-
не, замороженных при
77 К. Для того чтобы
скомпенсировать эффек-
ты внутреннего фильтра,
вызванные другими ком-
понентами образца, авто-
400 420 440 460 480 500
Длина волны, нлл
Рис. 175. Применение спектров Шполь-
ского [307].
Быстрая флуоресценция в растворе циклогексан
(75%)-н-октан (25%) при 77 К, возбуждаемая ли-
нией 366 нм; ширина полосы 0,2 нм при 400 нм;
1 — бенз-(а)-пирен; 2 —продукт фотореакции в эта-
ноле.
ры использовали метод
стандартных добавок и добились точности более 10%. Метод
был применен для анализа сигаретного дыма, а также питьевой
воды и вин. В воде никаких следов бенз-(а)-пирена не найдено,
однако небольшие количества его были обнаружены в алкоголь-
ных напитках.
Паркер-и Хатчард [307] использовали-преимущества чрезвы-
чайно высокой характеристичности спектров Шпольского 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-
446
ГЛАВА V
таноле и бутаноле, дали одинаковые спектры возбуждения и
испускания флуоресценции при комнатной температуре. Спект-
ры Шпольского продуктов реакции подобны спектру самого
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-
Рис. 176. Контроль зонной очистки 2,3-бензфлуорена по флуоресценции.
Возбуждение линией 436 нм, выделенной двойным призменным монохроматором; анали-
зирующий монохроматор двойной, с кварцевыми призмами; фронтальное освещение
с помощью устройства, показанного на рис. 88; расстояние от верха колонки (см) указано
для каждой кривой; длина колонки 17 см; Л —после 350 пропусканий через зону плавле-
ния; Б —после 530 пропусканий при чувствительности в 3 раза больше; В —после 730 про-
пусканий при той же чувствительности, что и Б.
Непосредственное измерение спектров испускания флуорес-
ценции вещества, подвергаемого зонной очистке, может быть
использовано для контроля процесса зонной очистки. Эта мето-
дика наиболее эффективна для обнаружения таких флуоресци-
рующих соединений, которые поглощают в более длинноволно-
вой области по сравнению с главным компонентом. Один из
примеров показан на рис. 176. Очистке подвергали 2,3-бенз-
флуорен, который в кристаллическом состоянии не поглощает
в области длин волн короче 436 нм. Таким образом, при этой
длине волны возбуждается только флуоресценция примесей, но
не бензфлуорена. Было отмечено, что после 350 пропусканий на
расстоянии 10 см от верха колонки для зонной плавки все еще
содержались примеси, дающие спектр флуоресценции с тремя
характерными пиками, а в нижних частях колонки (на рисунке
ПРИМЕНЕНИЕ В АНАЛИТИЧЕСКОЙ ХИМИИ
44?
не показано) примесей было очень много. После 530 зонных про-
пусканий достигалась высокая степень очистки, а после 730 про-
пусканий верхняя ^асть колонки (10 см от верха) по существу
не содержала флуоресцирующих примесей. Спектры, приведен-
ные на рис. 176, соответствуют очень низким уровням интенсив-
ности флуоресценции, и, чтобы избежать помех от возбуждаю-
щего рассеянного света, для выделения возбуждающего света и
регистрации флуоресценции были использованы двойные моно-
хроматоры. Хотя примесь, ответственная за спектр с тремя мак-
симумами, была окрашена в желтый цвет, в случаях, которые
представлены крйвыми на рис. 176, Л, по цвету ее обнаружить
не удалось.
9. Флуоресценция и фосфоресценция адсорбированных
веществ
Савицкий и Стэнли [362] описали ряд проб, основанных на
появлении флуоресценции пятен на фильтровальной бумаге,для
глиоксаля, пировиноградного, салицилового и других аромати-
ческих альдегидов с использованием в качестве реагентов гидра-
зонов салицилового альдегида или 2-окси-1-нафтальдегида. Пре-
делы визуального обнаружения колеблются от 0*01 мкг для
пировиноградного альдегида до 10 мкг для салицилового аль-
дегида. Савицкий и Джонсон [363] сообщили о визуальных про-
бах по пятнам для широкого ряда соединений, с которыми мож-
но встретиться при изучении загрязнений воздуха. К таким
соединениям относятся полициклические ароматические углево-
дороды и их амино-, нитро- и альдегидные производные; акри-
дин, бензо- и дибензоакридины; бензо- и дибензокарбазолы;
производные 4-аминоазобензола; фенолы, азагетероциклические
соединения и пестициды, такие, как фенотиазин и паратион.
Пробы получали на стекловолокне или целлюлозной бумаге, на
тонкослойных хроматограммах с окисью алюминия или ацета-
том целлюлозы. Видимую флуоресценцию или фосфоресценцию
пятен наблюдали при температуре жидкого азота. Характерно
окрашиваются как сухие пятна, так и пятна, влажные от при-
сутствия растворителя. Различное окрашивание возникало после
добавления капли серной кислоты, трифторуксусной кислоты
или 29%-ного метанольного .раствора гидроокиси 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 другой работе Бендер, Савицкий и Уилсон [364] описали флуо-
ресцентное обнаружение и спектрофлуориметрическую иденти-
фикацию карбазолов, выделенных с помощью тонкослойной
448
ГЛАВА V
Хроматографии; Савицкий, Эльберт и Стэнли [365] использовали
селективные тушители для идентификации флуоресцирующих
пятен на тонкослойной хроматограмме.
Е. СВЯЗЬ ЛЮМИНЕСЦЕНЦИИ НЕОРГАНИЧЕСКИХ
И ЭЛЕМЕНТООРГАНИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ СО СТРУКТУРОЙ
1. Неорганические соединения
Большинство ионов металлов, которые в водных растворах
поглощают в кварцевой ультрафиолетовой области, не дают
люминесценции. Поглощение света может приводить к фотореак-
ции с переносом заряда, например
FeCl2+ — * Fe2+ + СЬ. ' (438)
Отсутствие флуоресценции у некоторых анионов, таких, как
нитрат-анион, также обусловлено фоторазложением. В окра-
шенных комплексах некоторых переходных элементов поглощен-
ная энергия деградирует через более низкие возбужденные со-
стояния, возникновение которых обусловлено наличием частично
заполненных d-орбиталей. Редкоземельные элементы имеют ча-
стично незаполненную 4/-оболочку, и электроны, находящиеся
на 4/-уровнях, поглощая свет, могут перейти на незаполненные
4/-уровни. Эти уровни хорошо экранированы от внешних влия-
ний наиболее удаленными от ядра электронами, занимающими
в трехвалентных ионах орбитали 5s и 5р. Поэтому безызлуча-
тельная дезактивация мала, и в кристаллофосфорах все редко-
земельные элементы, содержащие от 2 до 12/-электронов,
а именно Pr, Nd, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tu, дают линейча-
тое испускание. Считают,' что в жидких растворах линейчатое
испускание ограничено пятью ионами элементов середины ряда,
а именно самария, европия, гадолиния, тербия и диспрозия [126].
Спектры поглощения редкоземельных элементов сложны, и ис-
пускание может происходить с нескольких энергетических уров-
ней. Простые соли (например, хлориды, сульфаты) пяти ионов,
которые люминесцируют в растворе, дают линейчатое поглоще-
ние, 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 чувствительного спектрофлуориметра обнаружить кон-
центрации вплоть до 10"5 М. Хлориды самария, европия и дис-
прозия этой группой длин волн возбуждаются менее интенсивно
(рис. 177 и табл. 52 в разделе V, Ж). При возбуждении более
коротковолновым светом растворы хлорида гадолиния дают ли-
нейчатое испускание при 310 нм (рис. 177). Интенсивность по-
ПРИМЕНЕНИЕ В АНАЛИТИЧЕСКОЙ ХИМИИ
449
глощения и люминесценции можно увеличить путем образова-
ния неорганических комплексов. Так, Такетацу и сотр. [366] из-
мерили спектры испускания карбонатов тербия и европия в вод-
ном растворе карбоната калия. Карбонат тербия, возбужденный
Длина волны, нм
Рис. 177. Люминесценция хлоридов редкоземельных элементов в 1,0 н. со-
ляной нислоте.
Возбуждение линиями 250 нм (Gd) и 366 нм (Sm, Eu, Tb, Dy) с использованием ртутной
лампы (200 Вт) сверхвысокого давления и решеточного монохроматора с шириной по-
лосы 9,6 нм; ширина полосы анализирующего монохроматора 3,3 нм. Концентрации и
относительные чувствительности, при которых проводились измерения: Gd, 4«10“2 М
при 4,5; Sm, 4«10“2 М при 20; Ей, 4«10“2 М при 2; ТЬ, 10“3 М при 4; Dy, 4-10~2 М при 1;
полоса комбинационного ралеяния при 418 нм приблизительно в 3 раза интенсивнее
линии ТЬ при 479 нм.
при 245 нм, испускает при 497, 550 и 593 нм. Карбонат европия
возбуждается при 400 нм и испускает при 590 и 620 нм. Аль-
берти и Массуччи [367] нашли, что испускание тербия, диспрозия,
450
ГЛАВА V
Р и с. 178. Влияние концентрации серной
кислоты на интенсивность люминесценции
иона уранила.
Возбуждение светом 436 нм, выделенным из излу-
чения ртутной лампы (200 Вт) сверхвысокого давле-
ния с помощью двойного кварцевого монохрома-
тора; анализирующий монохроматор —двойной,
кварцевый, ширина полосы 0,008 мкм”"1 при
2,0 мкм-1; 1 и 2 —уранилсульфат (5-Ю”"3 М) при
20° С в 0,1 ибн. серной кислоте соответственно.
европия и самария значительно увеличивается в водных
растворах вольфрамата натрия при возбуждении светом 265—
270 нм. Это, несомненно, примеры внутримолекулярного пере-
носа энергии, который
уже обсуждался в разде-
ле V, Е, 3.
Можно получить це-
лый ряд таких твердых
поликристаллофосфоров,
в которых спектральное
распределение люминес-
ценции и ее время жизни
определяются прежде все-
го присутствием неболь-
ших количеств примесей,
* или «активаторов». К по-
ликристаллическим сое-
динениям основного ха-
рактера относятся суль-
фиды цинка, кадмия,
кальция и стронция, хло-
рид калия, селенид цин-
ка, вольфраматы кальция
и магния, силикаты бе-
риллия, цинка и кадмия и
многие другие. Примес-
ными активаторами могут
быть медь, серебро, мар-
ганец, сурьма, таллий,
свинец, редкоземельные
элементы, висмут и уран.
Подробно описаны мето-
ды получения таких фос-
форов и разработана тео-
рия их люминесценции (126, 368, 369]. Ссылки на их аналитиче-
ское применение будут приведены позднее.
Фотолюминесценция в жидком растворе наблюдалась для
ионов лишь очень немногих металлов (не считая редкоземель-
ных). Фотолюминесценция урана в растворе ограничивается
теми соединениями, которые содержат уранил-ион UO2+. Все
ураниловые соли имеют спектры поглощения и испускания оди-
накового типа [126], хотя и отличающиеся в деталях. Одинако-
вые спектры наблюдаются для растворов, для чистого кристал-
лического состояния и твердых растворов (например, во фто-
риде натрия). Спектры имеют колебательную полосатую струк-
туру, соответствующую колебаниям группы О—U—О (рис. 178).
ПРИМЕНЕНИЕ В АНАЛИТИЧЕСКОЙ ХИМИИ
451
Электронный переход частично запрещен, и для кристалличе-
ских солей время жизни люминесценции составляет приблизи-
тельно 10’4 с; тем не менее люминесценция многих солей высоко-
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 талли^(1) флуоресцирует в растворе хлорида натрия
[370], а церий и олово — в серной кислоте [371, 372].
2. Металлоорганические комплексы
Флуоресцирующий металлоорганический комплекс простей-
шего типа — это такой комплекс, в котором комплексный ион
образуется путем связывания ионизованного флуоресцирующего
соединения с солью металла. Так, флуоресцирующий оранже-
вым цветом, родамин Б соединяется с хлоридом или бромидом
трехвалентного таллия, образуя оранжево-красный флуоресци-
рующий комплекс, растворимый в бензоле [373]. Считают, что тал-
лий входит в «соль», которую образует катион родамина с Т1Вг^~.
Многие флуоресцирующие металлоорганические соединения—
это хелаты металлов. Они часто состоят из одного иона металла,
который соединяется с одной или несколькими молекулами хе-
латообразующего органического соединения и дает жесткую
молекулу, содержащую несколько систем конденсированных ко-
лец, окружающих атом металла. Поскольку структура таких
комплексов по своей природе в основном органическая, можно
ожидать, что их фотолюминесценция будет подчиняться прави-
лам, подобным гем, которые в общих чертах были описаны в
разделе I, Б, 6. По-видимому, это имеет место при условии, что
атом металла не содержит более низких незаполненных атом-
ных орбиталей (т. е. он не является переходным или редкозе-
мельным элементом); в этом случае атом металла ведет себя
подобно инертному или «насыщенному органическому атому» и
составляет часть общей циклической системы молекулы. Иногда
сам 'органический реагент не флуоресцирует. Многие реагенты
имеют гибкие молекулы или содержат группы, способные давать
л* — n-состояния; тогда появление флуоресценции при образо-
вании хелатной формы с участием атома металла несомненно
обязано образованию жесткой молекулы и (или) понижению
л* _ л-уровня по сравненю с л* — n-уровнем или, возможно,
активации возбужденного состояния типа состояния с перено-
сом заряда. Если в^е n-электроны в реагенте координационно
связаны с атомом металла хелата, последний не будет иметь
л*— n-возбужденного- состояния и это может оказаться причи-
452
< ГЛАВА V
ной образования флуоресцирующих хелатов из некоторых не-
флуоресцирующих реагентов. Хелаты металлов часто погло-
щают при более длинных волнах, чем исходный реагент, поэтому
их возбуждение в присутствии избытка последнего облегчается.
Судя по интенсивному кислородному тушению, люминесценция
борат-бензоинового комплекса (см. раздел V, Ж, 1) имеет чрез-
вычайно большое время жизни, и в этом хелатном соединении
состояние л* — п, возможно, является низшим возбужденным
состоянием. Возможно, ряд других хелатов металлов, до сих пор
считавшихся нелюминесцирующими, в действительности по той
же причине могут иметь относительно долгоживущие синглетные
состояния, и их флуоресценция не проявляется из-за кислород-
ного тушения. Обычно можно ожидать, что хелаты, имеющие
л* — n-возбужденные синглетные состояния, при низкой темпе-
ратуре в твердых средах будут обладать интенсивной фосфорес-
ценцией, вызванной повышенной эффективностью интеркомбина-
ционной конверсии в триплетное состояние.
Объем книги не позволяет подробно рассмотреть все флуо-
ресцирующие хелаты, но будет полезно привести некоторые наи-
более типичные примеры. Многочисленные литературные ссылки
по люминесценции и ее аналитическому применению можно най-
ти в обзорах Уайта и сотр. [374]. Молекулы органических соеди-
нений, образующих хелаты, содержат по крайней мере две
функциональные группы, способные дать пару электронов на
образование связи с ионом металла. В процессе возникновения
координационных связей одни группы, например СО2Н, ОН,
NH2, могут отдавать протон, другие, например О, OR, N и т. д.,
не могут. Эти функциональные группы 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 пятн-
или шестичленные кольца. Играет роль и размер ионов металла:
для небольших ионов стерический фактор может препятствовать
образованию хелата с некоторыми реагентами. Например, вве-
дение метильной группы в положение 2 8-оксихинолина мешает
образованию трис-комплекса с А13+, но не с Сг3+ или Fe3+ [375].
Примеры хелатообразующих реагентов и полученных из них
флуоресцирующих хелатов приведены на рис. 179. Структура
некоторых хелатов полностью установлена. Так, 8-оксихинолин
(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 двухвалентного металла MQ2, трехвалентного — MQ3 и
четырехвалентного — MQ4. Многие оксинаты, например оксина-
ты переходных металлов, таких, как железо, кобальт, никель,
лишь очень слабо флуоресцируют. Бхатнагар и Форстер [376]
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
4
Рис. 179. Некоторые хелатообразующие реагенты и флуоресцирующие
хелаты.
А —2-окси-З-нафтойная кислота; Б —бензоин; В —8-оксихинолин; Г — семикарбазон салИ'
цилового альдегида; Д — салицилидин-2-аминофенол; Е — г^'-диоксиазобензол.
атомов с очень высокими порядковыми номерами, выходы флуо-
ресценции для ионов металлов с заполненной оболочкой прибли-
зительно равны выходу флуоресценции самого аниона. Таким
образом, влияние тяжелого атома, по-видимому, не проявляет-
ся, по крайней мере до тех пор, пока не достигаются 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 V, Е,3), однако
дибромоксинат хрома давал обычное л* — л-испускание. При-
менения для количественного анализа до сих пор ограничива-
лись измерением флуоресценции в жидком растворе при комнат-
454
ГЛАВА V
Таблица 50
Люминесценция оксинатов металлов
при 80 К [376]
(возбуждение светом 366 нм)
Соединение Волновое число, — 1 мкм Выход люминесценции
Оксин (HQ) 2,33 0,28
Q- 2,06 0,28
h2q+ 2,08 0,043
ZnQ2 1,97 0,32
InQ3 2,00 0,31
AIQ3 2,05 0,30
CdQ2 1,99 0,21
MnQ2 2,02 0,015
PbQ2 1,99 0,013
1,62 a 0,005 а
CuQ2 2,10 0,012
C0Q3 2,07 0,010
CrQ3 1,32 6 0,0033 6
FeQ3 — <0,0003
NiQ2 —• <0,0003
а Фосфоресценция.
6 Испускание иона металла.
ной температуре. Оксинаты алюминия, галлия и индия можно
экстрагировать хлороформом и измерять их флуоресценцию в
этом растворителе [377, 378].
Структура многих хелатов металлов точно не установлена.
Так, комплексы алюминия и бериллия с 2-окси-З-нафтойной
кислотой содержат одну молекулу реагента 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 группу ОН". Тот же прин-
цип применим и к хелатам семикарбазона салицилового альде-
гида, салицилиден-2-аминофенола, 2,2'-диоксиазобензола и их
производным (рис. 179,1\ДкЕ). Салицилиден-2-аминофенол
дает флуоресцирующий комплекс с ионами многих металлов
[380—382]. Этот тест особенно чувствителен к алюминию, и Даг-
налл и сотр. [383] установили, что флуоресцирующий комплекс
алюминия содержит одну молекулу реагента на атом алюминия.
Поэтому следовало ожидать, что мономер будет иметь структу-
ру, показанную на рис. 179, Д, но с двумя молекулами воды, за-
вершающими образование координационных связей алюминия.
Авторы предположили, что мономер, вероятно, состоит из поли-
ядерных соединений низкого порядка (например, из димера),
ПРИМЕНЕНИЕ В АНАЛИТИЧЕСКОЙ ХИМИИ
455
связанных путем образования воды из гидроксильных групп.
Подобные эффекты могут наблюдаться для хелатов трехвалент-
ного металла с 2,2'-диоксиазобензолом и его производными [381],
которые также должны иметь один связанный ион ОН" (см.
рис. 179, Е). Хелаты трехвалентного металла с семикарбазоном
салицилового альдегида (рис. 179, Г) содержат две связанные
группы ОН" (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 кото-
рого предполагают полимерную структуру [385].
В последней работе приведены примеры каждого из трех
способов использования флуоресцентных измерений для опре-
деления молярного отношения металла в хелате к хелатообра-
зующему агенту. Первый из них — это хорошо известный метод
непрерывных вариаций [386], основанный на измерении интен-
сивности флуоресценции ряда растворов, в которых суммарная
концентрация (ион металла + реагент) одинакова, а отношение
концентраций иона металла к реагенту варьирует. Максимум
флуоресценции наблюдается в той точке, где отношение [ион
металла]/[реагент] 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 реагента варьирует. В точ-
ке, где отношение [ион металла]/[реагент] в растворе равно соот-
ветствующему'отношению в хелате, наклон полученной кривой
изменяется. По мере того 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 реаги-
рует с меньшими, меняющимися концентрациями реагента, а во
втором — реагент с концентрацией с соединяется с меньшими,
меняющимися концентрациями иона металла. Обе зависимости
линейны, и отношение их наклонов равно молярному отношению
иона металла к реагенту в хелате.
3. Внутримолекулярный перенос энергии
Если ион металла, являющийся частью хелатного соедине-
ния, не содержит частично незаполненных внутренних электрон-
ных оболочек, то возбужденные состояния, образующиеся при
переводе одного из электронов иона металла на более высокую
орбиталь, имеют гораздо большую энергию, чем л* — л- и
я* — n-синглетные и триплетные состояния, соответствующие
переходу одного из электронов в органическую часть молекулы.
В результате этого металлический ион ведет себя практически
456
ГЛАВА V
как «насыщенный органический атом» и является лишь одной
из связей, удерживающих различные части молекулы. При об-
суждении спектров испускания существенны только л* —л-,
л* — п- и другие состояния, характерные для органической 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
редкоземельным элементом, то появляется ряд новых энергети-
ческих уровней, соответствующих переходам электронов между
а2~
~а2
at—
А Б В
Рис. 180. Энергетические переходы в хелатах металлов.
А —переход на атомные уровни невозможен; Б— флуоресценция тушится (комплексы
переходных металлов с низколежащими d-уровнями); В —переход с триплетного уровня
и наблюдаемое линейчатое испускание (хелаты некоторых редкоземельных элементов).
различными d- или /-уровнями атома металла. Для многих
соединений некоторые из этих уровней обладают меньшей энер-
гией, чем синглетный и даже триплетный л* — л- и л* — п-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 взгляд введение иона металла лишь
вводит еще одну, третью систему уровней в дополнение к син-
глетной и триплетной системам. Очевидно, если самый нижний
уровень атомной системы лежит выше любого из самых ниж-
них уровней синглетной или триплетной системы (Д на рис. 180),
то следует ожидать, что переходы Si~>S0 и Л-э-Зо не изме-
нятся. С другой стороны, если существует атомный уровень,
расположенный ниже синглетного или триплетного уровня (В на
рис. 180), то можно ожидать, что произойдет интеркомбина-
ционная конверсия на уровень а и будет наблюдаться испуска-
ние с этого уровня. Этот процесс называют обычно внутримо-
лекулярным переносом энергии (см. также раздел II, Б, 7). Он
был впервые продемонстрирован Вейсманом [389—391], который
ПРИМЕНЕНИЕ В АНАЛИТИЧЕСКОЙ ХИМИИ
457
нашел, что растворы бензоилацетоната европия и салицилового
альдегида европия испускают интенсивную люминесцёнцию, ха-
рактерную для иона европия, при возбуждении светом, погло-
щаемым л*-полосами хелатов.
В принципе следует ожидать протекания этого процесса и
для переходных металлов, но, поскольку их d-электроны плохо
экранированы от внешних влияний, наблюдается сильное туше-
ние люминесценции. В других случаях (это относится и к
4/-уровням некоторых редкоземельных элементов) имеются
очень низколежащие d-уровни и испускание происходит в ин-
фракрасной области (если вообще происходит). В результате
многие комплексы переходных металлов, даже те, которые об-
разуются из флуоресцирующих реагентов, 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 мкм"1 (см. табл. 50). Напротив, 4/-уровни редкоземель-
ных элементов хорошо экранированы от внешних влияний.
Следствием этого является, во-первых, то обстоятельство, что
люминесценция, соответствующая переходам а->а, тушится не
очень легко. Во-вторых, она во многом сохраняет природу атом-
ного испускания и, таким образом, состоит из узкой линии. На-
конец, испускание может происходить с уровней а, более высо-
ких, чем ai, 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 могут 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 по-видимому,
не может конкурировать с или Si->S0, если энергетиче-
ские уровни расположены, как в случае Б на рис. 180. С другой
стороны, процесс Т\-+а происходит, по-видимому, потому, что
излучательное время жизни состояния 1\ много больше, чем со-
стояния Si. 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 редкоземельного элемента лежит
выще л* — л- или л* — n-синглетного уровня, имеется некоторая
вероятность интеркомбинационной конверсии в противополож-
ном направлении. Так, при возбуждении салицилата гадолиния
светом 313 нм его сине-фиолетовая флуоресценция заметно уси-
ливалась в результате поглощения света гадолинием (т. е. пере-
хода а а) [393].
458
ГЛАВА V
Вэн и Кросби [394] предложили классификацию редкозе-
мельных элементов по трем группам согласно люминесценции
их хелатов с бензоилацетоном и дибензоилметаном, а именно:
Gd, La, Lu Высокие выходы л*-флуоресценции
и (или) фосфоресценции (<р/ + <рр)
Pr, Nd, Но, Ег, Тгп, Yb Низкие значения (<pf + <рр)
Eu, Tb, Dy, Sm Очень низкие значения ((ty + фр);
сильное линейчатое испускание.
Элементы первой группы не содержат 4/-уровней ниже триплет-
ного уровня, и, следовательно, интеркомбинационная конверсия
с триплетного уровня невозможна. Элементы второй группы об-
ладают низколежащими 4/-состояниями, через которые происхо-
дит размен триплетной энергии. Авторы отметили грубую
корреляцию между числом 4^-уровней, на которые может проис-
ходить переход, и эффективностью тушения люминесценции. От-
сутствие линейчатого испускания у этих редкоземельных эле-
ментов было приписано безызлучательной дезактивации в
результате вибронного взаимодействия с лигандами и, следова-
тельно, с растворителем. Те члены этой группы, от которых
можно ожидать испускания в видимой области, содержат много
близко расположенных уровней, через которые может происхо-
дить эта безызлучательная дезактивация, тогда как члены тре-
тьей группы имеют несколько заметных промежутков, отделяю-
щих уровни испускания от более низких уровней.
Баумик и Тэлк [395] измерили выходы люминесценции и вре-
мена жизни линейчатого испускания нескольких хелатов тербия,
европия 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 рас-
творе.
2) Эффект растворенного кислорода незначителен, несмотря
на относительно большие времена жизни люминесценции. (Отно-
сительную устойчивость и большое время жизни возбужденного
состояция редкоземельных элементов, по-видимому, можно по-
нять на основе экранирования 4^-орбиталей внешними электро-
нами.)
3) Выход люминесценции некоторых хелатов очень сильно
зависит от растворителя, что может быть связано с химическими
изменениями.
ПРИМЕНЕНИЕ В АНАЛИТИЧЕСКОЙ ХИМИИ
459
4. Межмолекулярный перенос энергии
Перенос энергии от триплет-возбужденной органической мо-
лекулы к соединениям редкоземельного элемента может опре-
деляться диффузией, т. е. идти аналогично процессам переноса
энергии от триплета к синглету и от триплета к триплету, кото-
рые обсуждались в разделах II, В, 4 и II, Г, 2. Так, Эль-Сайед
и Баумик [396] показали, что триплетное состояние бензофенона
может отдавать энергию хелатам европия с помощью процесса,
определяемого диффузией, а Матович и Судзуки [397] сообщили,
что в ацетофеноне и других ароматических кетонах соли редко-
земельных элементов можно возбудить через растворитель. Бол-
лард и Эдвардс [398] изучили концентрационную зависимость
спектров испускания растворов нитратов Sm3+, Dy3+, Tb3+ и Eu3+
в ацетофеноне. Полученные результаты они интерпретировали
на основе контролируемого диффузией межмолекулярного пере-
носа энергии От триплета ацетофенона к редкоземельному иону.
Хеллер и Вассерман [399] нашли, что люминесцентные уровни
ТЬ3+ и (или) Еи3+ могут быть сенсибилизованы переносом энер-
гии, определяемым диффузией, от триплетных состояний 21 аро-
матического альдегида 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
ангидриде (см. раздел V, Ж, 2).
5. Органические соединения, содержащие
неметаллы
Флуоресценцию любого органического соединения, вообще го-
воря, можно использовать для определения одного из содержа-
щихся в нем элементов. В принципе таким путем можно опре-
делить хлор, превратив его во флуоресцирующий 9-хлорантра-
цен, или азот, превратив его, скажем, в р-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 всего
100%-ным); при этом следует рассмотреть все механизмы орга-
нических реакций, чтобы решить, какие типы реакций могут ока-
заться подходящими. Вероятно, это будут реакции с замыка-
нием цикла, приводящие к образованию дополнительной гетеро-
циклической системы. Такие реакции не могут служить методом
определения элемента в любом из его соединений, но позволяют
определить его в конкретном соединении. Например, реакцию
гидразина с о-фталевым альдегидом или, возможно, с более
460
ГЛАВА V
сложным о-диальдегидом можно использовать для определения
азота, содержащегося в данной молекуле:
Ханкер и сотр. [401] предложили флуориметрический метод для
определения азота, связанного в виде цианида. Реакцией с хлор-
амином Т синильная кислота была превращена в хлорциан. За-
тем последний реагировал с никотинамидом, давая продукт с
сильной флуоресценцией в щелочной среде.
Методы замыкания цикла для определения серы и селена во
всех их обычных неорганических формах были описаны Парке-
ром и сотр. [327, 402]. При нагревании сульфата, сульфита или
другого соединения серы в смеси гипофосфористой кислоты и
HI отгоняется H2S, который попадает на небольшой листок филь-
тровальной бумаги, смоченный ацетатом цинка. Образующийся
при этом сульфид цинка превращают в красный флуоресцирую-
щий краситель тионин реакцией с кислым раствором сульфата
трехвалентного железа и п-фенилендиамином:
Для флуоресцентных измерений тионин экстрагировали бутано-
лом. Селен можно определять в виде водного раствора селенис-
той кислоты, которая реагирует с 2,3-диаминонафталином, давая
сильно флуоресцирующий 4,5-бензопиазселенол:
НгЗеОз
ПРИМЕНЕНИЕ В АНАЛИТИЧЕСКОЙ ХИМИИ
461
Ж. АНАЛИЗ ЭЛЕМЕНТОВ И НЕОРГАНИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ
1. Применение быстрой флуоресценции в жидком
растворе
Предложено очень немного приемлемых методов, основанных
на естественной люминесценции простых неорганических ионов
в растворе. Люминесценция простых солей редкоземельных ио-
нов очень слаба, а люми-
несценция уранил-иона
обусловлена, по-видимо-
му, неорганическими ком-
плексами того или иного
вида и, следовательно, не
является, строго говоря,
естественной. 4 Подобно
этому флуоресценция ио-
на одновалентного 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-
Р и с. 181. Спектрофлуориметрическое
определение урана.
Возбуждение светом 250 нм, выделенным реше-
точным монохроматором с фильтрами хлорным
и 0X7; ширина полосы анализирующего монохро-
матора 6,6 нм; /—10“6 М раствор уранилсульфата
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.
10 мкг урана в 200 мл ра-
створа. В этих условиях флуоресценцию дают только олово (жел-
товато-зеленая) и церий (белая). Сильно поглощающие ионы
вается при добавлении
фтористоводородной или
фосфорной кислот, при-
чем авторы рекомендуют
0,5%-ную (вес/объем)
концентрацию., последних^
Им удалось, обнаружить
действуют как внутренние фильтры и уменьшают интенсивность
флуоресценции. Поэтому нужно или удалить их, или разбавить
раствор, чтобы довести эффект внутреннего фильтра до приемле-
мых пределов. Силл и Петерсон рекомендуют контролировать ре-
зультаты методом стандартных добавок. Они разработали методи-
ки для определения следов урана в тугоплавких материалах. На
462
ГЛАВА V
рис. 181 показаны спектры, иллюстрирующие чувствительность и
специфичность, которые можно получить с помощью спектрофлуо-
риметра, а также увеличение интенсивности при добавлении фос-
форной кислоты. При использовании обычных лабораторных
реагентов чувствительность к урану ограничивается фоном ре-
агента и составляет приблизительно 10~7 М (0,02 мкг/мл). С очи-
щенными реагентами можно
Рис. 182. Спектрофлуориметриче-
ское определение алюминия [378].
Неисправленные спектры испускания
флуоресценции оксинатов, полученных
экстракцией растворов, содержащих 2,5
мкг металла; А —индий: Б —галлий;
В —алюминий; Г —кривая спектральной
чувствительности прибора.
обнаружить и точно идентифици-
ровать по характерной колеба-
тельной структуре спектра содер-
жание урана около 0,002 мкг/мл.
Спектры испускания флуорес-
ценции хелатов металлов обыч-
но размыты, и для строгой иден-
тификации их недостаточно. Поэ-
тому при проведении анализа
стараются подобрать специфич-
ный реагент и подходящие усло-
вия опыта. Кроме того, часто
бывает необходимо отделять ме-
шающие элементы. Флуоресци-
рующие хелаты пригодны для оп-
ределения ряда металлов, напри-
мер алюминия, галлия, бериллия,
циркония, тория, германия, маг-
ния, цинка, вольфрама, олова,
таллия, ванадия, рутения и т. д.
(см. обзоры Уайта [374]). Для
иллюстрации рассмотрим один
пример — хорошо известное флуо-
риметрическое определение ио-
нов алюминия с помощью 8-ок-
сихинолина. В принципе метод
прост: проводят реакцию при
pH 5—6 и оксинат алюминия
экстрагируют хлороформом для измерения его флуоресценции.
Галлий и индий также дают оксинаты, имеющие полосы флуо-
ресценции, перекрывающие полосы оксината алюминия
(рис. 182), и Колл ат и Роджерс [377] разработали метод для
одновременного определения галлия 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 погашения при этих длинах волн).
К сожалению, различия недостаточны для очень точного опреде-
ления, и этим методом особенно трудно определять небольшие
количества одного элемента в присутствии гораздо больших кон-
центраций другого.
ПРИМЕНЕНИЕ В АНАЛИТИЧЕСКОЙ ХИМИИ
463
Работа Риса [378] служит хорошим примером достижения вы-
сокой чувствительности флуориметрического метода путем тща-
тельной очистки реагентов и учета других источников загрязне-
ния. Была поставлена задача определения следовых количеств
алюминия в синтетическом кварце высокой чистоты. Чтобы све-
сти к минимуму фон реагента и случайные загрязнения, химиче-
ская обработка была по воз-
можности упрощена. Гал-
лий и индий не отделяли, од-
нако при возбуждении све-
том 405 нм и измерении
вблизи максимума в спектре
испускания флуоресценции
оксината алюминия галлий
и индий дали значения, со-
ответствующие всего лишь
15 и 3% веса алюминия. Бы-
ло найдено, что одним из
главных источников фона
является фтористоводород-
ная кислота, используемая
для растворения образца, и
реагент (содержащий 0,2 ч.
алюминия на миллион) был
перегнан в приборе, полно-
стью изготовленном из пла-
тины. Очисткой всех осталь-
ных реагентов 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 магний, очень трудно добиться,
если нужно растворять тугоплавкий или металлический об-
разец.
Вопрос о фоне реагента должен быть одной из главных про-
блем, стоящих перед химиком-аналитиком в промышленности
полупроводников, где существенно содержание примесей по-
рядка несколькйх частей на миллиард.
Два следующих примера выбраны с целью иллюстрации
проблем, связанных с разработкой флуориметрических методов
для анализа этого типа. Первым примером является определение
следов бора в кремнии высокой чистоты. Флуориметрическая
реакция борат-иона с бензоином для определения бора
Рис. 183. Спектры испускания флуоре-
сценции борат-бензоинового комплекса
и продукта фоторазложения бензоина
[404].
Возбуждение светом 2,73 мкм"”1 (366 нм); А —
0,07 мкг бора перед прибавлением бензоина;
Б — 0,07 мкг бора в 16,5 мл раствора после
реакции с бензоином; В —фон реагента после
реакции с бензоином; Г —раствор В после фо-
торазложения; спектры неисправленные; кривая
спектральной чувствительности — см. кривую Г
на рис. 182.
ГЛАВА V
464 '
в количестве от 0,1 до 10 мкг была впервые применена Уайтом
и сотр. [403]. Последующая работа Паркера и Барнса [131, 404]
показала что с помощью этого метода молено добиться значи-
тельно большей чувствительности, но для этого следует контро-
лировать целый ряд факторов. Реакцию проводили в водном эта-
ноле, содержащем карбонат натрия. Линия ртути t 366 нм
Рис. 184. Выбор фильтров для флуориметрического определения бората [404].
А—1 см 0,75%-ного (вес/объем) раствора иода в четыреххлористом углероде и 1 см рас-
твора, содержащего 100 г Си (NO3)2«3 Н2О в 60 мл 1 н. азотной кислоты; Б — 1,5 см 1%-ного
(вес/объем) водного раствора нитрита натрия; В—1,5 см 1%-ного (вес/объем) раствора
хромата калия в 0,05%-ном (вес7объем) растворе едкого натра; Г —приблизительное спек-
тральное распределение света ртутной лампы (250 Вт) (кванты>; комбинация А и Б была
использована для выделения линии ртути 405 нм для возбуждения; фильтр В достаточно
хорошо пропускал флуоресценцию и задерживал рассеянный возбуждающий свет и рама-
новское испускание растворителя.
эффективно возбуждает флуоресценцию, но вызывает быстрое
разложение бензоина с образованием продукта с полосой флуо-
ресценции, налагающейся на полосу борат-бензоинового комп-
лекса, как это показано на рис. 183. Скорость разложения при
облучении линей ртути 405 нм была меньше, и, кроме того, ис-
пользование света 405 нм имело то преимущество, что эффекты
внутреннего фильтра из-за избытка бензоинового реагента и
возможного присутствия других поглощающих примесей были
меньше. Недостатком является то, что рамановская полоса пе-
рекрывает флуоресценцию борат-бензоинового комплекса, одна-
ко этот источник помех можно устранить соответствующим под-
бором второго фильтра (рис. 184).
ПРИМЕНЕНИЕ В АНАЛИТИЧЕСКОЙ ХИМИИ
465
Кислород Даже при небольшой концентрации оказывает три
нежелательных эффекта: 1) обратимое тушение флуоресценции
борат-бензоинового комплекса и медленное необратимое разло-
жение (рис. 185); 2) окисление бензоина с образованием погло-
щающих продуктов; 3) ускорение фоторазложения бензоина.
Чтобы получить воспроизводимую низкую величину фона, необ-
ходимо полностью удалить кислород как из щелочного раствора
Рис. 185. Обратимое тушение и необратимое разложение борат-бензоино-
вого комплекса в растворе под действием кислорода [131].
Возбуждение светом 405 нм раствора, содержащего бор (.0,018 мкг/мл), после реакции
с бензоином; А —в токе чистого азота; Б —то же, но с 0,9 об. % кислорода, периодически
вводимого в струю газа.
бората, так и из этанольного раствора бензоина, используя при-
бор, показанный на рис. 86. Бензоин следует очистить несколь-
кими перекристаллизациями в темном помещении и растворы
его хранить в темноте. Равновесие борат — бензоин имеет тем-
пературный коэффициент, что приводит к уменьшению флуорес-
ценции на 3—4% на ГС, и, следовательно, кювета должна быть
помещена в термостат. Конечно, необходимы строжайшие предо-
сторожности, чтобы избежать загрязнений растворов бором из
сосудов, из реагентов и т. д. Паркер и Барнс учли все эти обстоя-
тельства и при измерении бора в дистиллированной воде полу-
чили величины «фона», соответствующие 0,003—0,005 мкг бора
в 16,5 мл измеряемого раствора (это эквивалентно приблизи-
тельно 0,0002 мкг бора Аа 1 мл раствора). Применение метода
к полупроводниковому кремнию (взятому в количестве 1,5 г),
естественно, требует дополнительных реагентов, причем предва-
рительная обработка заключается в гидротермическом разложе-
нии при высоком давлении [405] и вакуумной отгонке в виде
этилбората. Таким путем суммарный фон был увеличен с 0,005
466
ГЛАВА V
приблизительно до 0,02 мкг. 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 миллион при определении бората в воде, где не тре-
буется никакой предварительной химической обработки. Надо
отметить, что после детальной разработки флуориметрического
метода (использующего широкие полосы испускания) для рутин-
ного 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 реагента, но «фоновая» флуоресцен-
ция обусловлена теперь иными факторами, а не загрязнением
селеном. Этот метод демонстрирует также, каким должен быть
органический реактив, чтобы удовлетворять поставленным тре-
бованиям. Исходным соединением является 3,3'-диаминобензи-
дин, предложенный Хосте и Гиллисом [406, 407] как колоримет-
рический реагент и примененный в качестве флуориметрического
реагента Паркером и Харвеем [328], которые показали, что реак-
ция с селенистой кислотой может давать два пиазселенола, со-
отношение которых зависит от относительных концентраций се-
ленистой кислоты и реагента:
Se---N
С большим избытком 3,3'-диаминобензидина, который исполь-
зуется в аналитической методике, образуется лишь моноселено-
вое соединение. Оно содержит две свободные аминогруппы, яв-
ляется поэтому сильноосновным и экстрагируется из водного
раствора органическим растворителем только при увеличении pH
раствора. Это усложняет аналитическую процедуру в присут-
ствии таких металлов, гидроокиси которых осаждаются в ней-
тральном или щелочном растворе, и требует их удаления или
добавления больших количеств комплексообразующих агентов,
которые должны быть очищены до высокой степени чистоты.
ПРИМЕНЕНИЕ В АНАЛИТИЧЕСКОЙ ХИМИИ
467
Ясно, что применение реагентов, содержащих только одну пару
о-диаминогрупп, позволяет избежать этого, и, действительно,
было найдено [327], что 2,3-диаминонафталин является почти
идеальным: соответствую-
щий 4,5-бензопиазселенол gS-
(см. раздел V, Г, 2)
можно экстрагировать де- ^2
калином или циклогек-
саном из 0,1 н. НС1; он
сильно возбуждается ли-
нией ртути 366 нм и дает
типичный спектр испуска-
ния флуоресценции (рис.
186); показатель чувстви-
тельности флуоресценции gg
^D/H составляет 0,1 при £5
366 нм по сравнению с^&
0,005 для соединения, по-
лученного из 3,3'-диами-
нобензидина, при опти-
мальной для него линии
возбуждения (436 нм).
Чувствительность лими-
тируется фоновой флуо-
ресценцией следов приме-
сей в 2,3-диаминонафта-
лине. Благодаря пере-
кристаллизации реагента
и выполнению всех опе-
Р и с. 186. Спектрофлуориметрическое опре-
деление селена с 2,3-диаминонафтали-
ном [327].
Спектры испускания флуоресценции 4,5-бензопиаз-
селенола в декалине, насыщенном воздухом; воз-
буждение при 2,73 мкм”*1 (366 нм); полуширина по-
лосы анализирующего монохроматора 0,025 мкм”*1
при 2,5 мкм”*1; А, Б, В и Г—чистое соединение
при концентрациях 0,0; 0,0053; 0,0106 и 0,0159 мкг/мл;
Д, Е, Ж и 3 — растворы, полученные из селенистой
кислоты реакцией с 2,3-диаминонафталином и
экстракцией декалином, содержащие количество
селена, эквивалентное 0,0; 0,0014; 0,0028 и
0,0042 мкг/мл.
раций в темном помеще-
нии ее удалось поддерживать эквивалентной 0,002 мкг селена
в расчете на весь экстракт. Реагенты, используемые для рас-
творения 1 г мышьяка или арсенида галлия, увеличили эту
величину только на 0,006 мкг.
2. Методы анализа, основанные на внутри- и
межмолекулярном переносе энергии
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 того, время жизни испускания во многих случаях
достаточно велико и его можно отделить при помощи механиче-
ского фосфороскопа даже в жидком растворе, насыщенном
кислородом, и, таким образом, по существу вся другая флуорес^
468
ГЛАВА V
ценция,- а также рассеянный свет, рамановское испускание и
фосфоресценция органических соединений могут быть исклю-
чены. До сих пор не сообщалось о применении 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-
ского определения европия и тербия, а 1,10-фенантролин с те-
ноилтрифторацетоном [409] — для определения европия и са-
мария.
Боллард и Эдвардс [410] использовали комплексы европия
и самария с теноилтрифторацетоном и триоктилфосфатом. Они
возбуждали их линией 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 (<р/)збб) составляют 0,114 и 0,0016. Эти ре-
зультаты можно сравнить с соответствующими величинами для
некоторых сильно флуоресцирующих органических соединений,
приведенными в табл. 47. Боллард и Эдвардс применили свой
метод для определения европия и самария в граните при содер-
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]
или оксалаты [412]. Дагналл и сотр. [413] описали чувствитель-
ный метод для тербия, основанный на образовании комплекса
(1:1:1) с этилендиаминотетрауксусной кислотой (ЭДТК) и
сульфосалициловой кислотой. Они пришли к выводу, что линей-
чатое испускание тербия возникает благодаря внутримолеку-
лярному переносу энергии с уровня, связанного с той частью
молекулы, где находится сульфосалициловая кислота, и что
ЭДТК защищает ион тербия и координационно связанную с ним
сульфосалициловую кислоту от влияний со стороны других
редкоземельных ионов или молекул растворителя.
Мак-Карти и Вайнфорднер [400] измерили отношение интен-
сивности линии редкоземельного элемента к интенсивности
фона для испускания в присутствии ряда ароматических карбо-
нильных соединений в уксусном ангидриде, очищенном от кис-
лорода. В табл. 51 приведены реагенты, которые дали самые
высокие отношения.
Мак-Карти и Вайнфорднер считают, что увеличение испуска-
ния в присутствии сенсибилизаторов обусловлено межмолеку-
лярным переносом от триплетных состояний сенсибилизаторов
к ионам редкоземельных элементов. Они нашли, что посторон-
ние ионы уменьшают интенсивность испускания, и приписали
этот эффект конкуренции последних с ионами редкоземельных
применение в аналитической химии
469
Таблица 51
Отношение интенсивности линии
к интенсивности фона для 10”2 М растворов
редкоземельных элементов
в уксусном ангидриде,
содержащем карбонильные соединения
(данные Мак-Карти и Вайнфорднера [400])
Редко- земельный элемент Карбонильное соединение, 10“ 2 М Отноше- ние
Sm Вератровый альдегид 33
Ей о-Толуиловый альдегид 28
ТЬ 4, 4'-Диметоксибензофенон 1100
Dy Анисовый альдегид 19
элементов. Поэтому в том случае, когда система используется
для аналитических целей, авторы рекомендуют применять 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 гадолиния, который возбуждался при
250 нм. Значения лишь очень приблизительны и рассчитаны на
основе предположения, что сигнал, 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 говоря уже о том, что недостатком 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 вычислительной
техники при последовательном снятии спектра.
3. Методы анализа, основанные на измерении
тушения
Измерение тушения люминесценции не нашло широкого при-
менения в качестве общего метода определения концентрации
неорганических тушителей, поскольку оно неспецифично. Кроме
того, известны лучшие методы для определения большинства
Реагент Редко- земельный элемент Наблюдаемая длина волны испускания
НС1 (см. рис. 177) Sm 560, 594, 642
Ей 591, 616, 697
Gd 310
Tb 490, 544, 588, 622
Dy 478, 487, 572
Теноилтрифторацетон и три- Sm 562, 597, 642
октилфосфат [410] Eu 613
Карбонат [366] Eu 590, 620
Tb 497, 550, 593
Вольфрамат [367, 411] Sm 560, 595, 640
* Eu 590, 615, 650 i
Tb 490, 545, 590, 620
Dy 480, 570
ЭДТК и сульфосалициловая кислота [413] Tb 485, 545, 575
Карбонильные соединения в Sm — 550, 588
уксусном ангидриде [400] Eu -573, 607
Tb -491, 541, 591
Dy -477, 578
Предел
чувствительности, Ограничение
М
~5-10“3
~5-10-4
~ 1 • ю“4 Фоновое ограничение (приме-
си и т. д.)
~ 1 • 10 5
~1 • 10~4
7•10~6 1 Ограничение, связанное с
3 • 10“8 j прибором
3-10“5 1 Ограничение, вероятно, свя-
2- 10“6 J занное с прибором
3 - 10“6
3 • 10“8 Ограничение, связанное с
6 • 10“г 1 прибором
6 • ю“8
2-10“8 Фоновое ограничение
2* 10“5
— ел о о 1 1 00 о Фоновое ограничение
8-10-7
ПРИМЕНЕНИЕ В АНАЛИТИЧЕСКОЙ ХИМИИ
471
неорганических веществ. Существует, однако, одно вещество —
молекулярный кислород, для которого измерение тушения лю-
минесценции может стать полезным методом, охватывающим
широкий ряд концентраций. Этот метод особенно приемлем для
определения кислорода в токе инертных газов, таких, как азот,
аргон 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:
! Тушение, % = 100(1 -F/Fo) = 100 (1 (439)
где

(440)
S — растворимость кислорода в растворе, a pQi — парциальное
давление кислорода, находящегося в равновесии с раствором.
Ясно, что для данной рас-
творимости и парциаль-
ного давления процент
тушения может изменять-
ся в зависимости от вяз-
кости раствора или вре- •
мени жизни люминесци-
рующего вещества. Какие
бы величины ни были вы-
браны в качестве аргу-
мента, кривая тушения бу-
дет иметь один и тот же
вид, определяемый урав-^
нением (439), и поэтому
можно построить общую
кривую тушения, которая
будет соответствовать вы-
бранной системе при про-
стом изменении горизон- Ро^атм
тальной шкалы, как пока- р и с Ш7. Калибровочная кривая для опре-
зано на рис. 1о/. деления кислорода по тушению люмине-
Вообще говоря, из сценции.
уравнений (439) и (440)
можно рассчитать калибровочную кривую, но на практике зна-
чения этих параметров (особенно kQ) точно не известны, по-
этому необходима эмпирическая калибровка при нескольких из-
вестных парциальных давлениях кислорода. Чтобы облег-
чить выбор системы для данного ряда парциальных давлений,
472
ГЛАВА V
построим шкалу для четырех гипотетических 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 другой (например, глицерин) —
вязким растворителем с kc = 4-10®л/(моль-с) при комнатной
температуре (табл. 53).
Таблица 53
Системы для определения кислорода
(растворимость кислорода
S = 5 • 10-3 моль/(л • атм); kq — 2 • 1О10
для жидкого растворителя и 1 • 107 для
вязкого растворителя)
Растворитель Время жизни люминесценции, с Po2/*=I/(W)
Жидкий 10-8 1,0
Жидкий 10-6 0,01
Вязкий 10-3 0,02
Жидкий 10“3 10”5
Обычно константа скорости кислородного тушения прибли-
зительно в 3—4 раза больше константы, рассчитанной для реак-
ций, контролируемых диффузией [76] [уравнение (80)], поэтому
для удобства мы предположим, что kq равно 2-1010 и
1 • 107 л/(моль-с) для жидкого и вязкого растворителей соответ-*
ственно. Затем для люминесценции, имеющей времена жизни,
приведенные во второй графе табл. 53, найдем, что величина х,
равная единице (50%-ное тушение), соответствует значениям
парциального давления кислорода, которые приведены в третьей
графе; таким образом, можно ввести четыре нижние горизон-
тальные оси для pOt (см. рис. 187). Поэтому соединение
с обычным временем жизни флуоресценции, например флуорес-
цеин, в жидком растворителе пригодно для определения кисло-
рода при высоких парциальных давлениях вплоть до 2 атм или
более. Соединение с крайне долгоживущей флуоресценцией, та-
кое, как пирен (10~® с), используется при содержании кислорода
в газе 0—5% при атмосферном давлении. Примерно в тех же
пределах концентраций кислорода можно работать в вязком
растворителе, если измерять фосфоресценцию или замедленную
флуоресценцию типа Е с временем жизни около 1 мс (пример —
эозин). С тем же самым соединением в жидком растворе обна-
ружение гораздс более чувствительно — 1 ч. кислорода на мил-
лион (~10%-ное тушение). Люминесценция с большим време-
нем жизни будет давать соответствующее увеличение чувстви-
ПРИМЕНЕНИЕ В АНАЛИТИЧЕСКОЙ ХИМИИ
473
тельности. В интервале концентраций между двумя упомяну-
тыми диапазонами можно применять смешанные растворители,
соответствующим образом подбирая их вязкость. Некоторые
трудности представляет калибровка в диапазоне низких концен-
траций. Один метод состоит во введении небольших известных
количеств кислорода пропусканием струи газа, очищенного от
кислорода, через анод электролизной ячейки. Другой метод—
удаление кислорода из раствора в высоком вакууме (см.
разд. III, И, 2). Интенсивность люминесценции измеряется до
и после разбивания запаянной капиллярной трубки, содержа-
щей известное количество воздуха и помещенной в ячейку; со-
держание кислорода рассчитывается из относительных объемов
газа и жидкости в ячейке. При измерении замедленной флуорес-
ценции на спектрофосфориметре в качестве внутреннего стан-
дарта мож*но использовать быструю флуоресценцию. Главной
проблемой, возникающей в этом методе измерения кислорода,
является фоторазложение, поэтому некоторые системы следует
часто обновлять.
Испускание замедленной флуоресценции многих красителей,
адсорбированных на силикагеле, 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 всего получить откачиванием
ее до высокого 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, где время жизни находится в пре-
делах 1—10 мс.
В заключение следует упомянуть, что молекулы с нечетным
числом электронов, такие, i^k окись азота, также сильно тушат
триплетные состояния.
4. Косвенные методы анализа
Некоторые неорганические ионы трудно или невозможно пре-
вратить во флуоресцирующее соединение. В таких случаях сле-
дует прибегать к косвенным методам. Существует два типа
таких методов. В косвенных методах первого типа ион может
реагировать с флуоресцирующим соединением, образуя не-
флуоресцирующие продукты; тогда мерой концентрации реаги-
рующего иона служит уменьшение интенсивности флуоресцен-
ции. Такие методы относят иногда к «методам тушения»,
474
ГЛАВА V
но в строгом смысле, определенном в разделе III,3,1, процессне
является тушением флуоресценции. Один из ионов, для которых
до сих пор нет прямых флуориметрическйх методов, — это ион
фтора. Именно для него можно предложить удобные косвенные
методы. Многие пробы основаны на образовании неионизован-
ных или нерастворимых комплексов алюминия и иона фтора.
Алюминий взаимодействует с органическим реагентом, давая
флуоресцирующий комплекс, а в присутствии иона фтора ин-
тенсивность флуоресценции понижается. Были использованы та-
кие реагенты, как комплексы алюминия с кверцетином [418],
морином или 8-оксихинолином [419], красителем ализариновым
гранатовым [420], на который фосфаты не оказывают влияния.
Описан также метод [418], основанный на использовании комп-
лекса торий — кошениль. Для определения загрязнения воздуха
ионами фтора используются полоски бумаги, пропитанные окси-
натом магния [421].
В косвенных методах второго типа определяемый ион реаги-
рует с нефлуоресцирующим хелатом с образованием такого
продукта, который или сам флуоресцирует или может быть пре-
вращен во флуоресцирующее вещество. Будучи переходным
элементом, палладий образует нефлуоресцирующий (и раство-
римый в воде) хелат с 8-оксихинолин-5-сульфонатом. Он дает
также комплексный ион с цианидом, и в присутствии последнего
эквивалентное количество органического комплекса палладия
подвергается диссоциации. Образующийся сульфонат оксина
соединяется затем с магнием, давая флуоресцирующий хелат
последнего [422]:
Pd (OxS)2 + 4CN~ -+ 2OxS + Pd (CN)2-, (441)
(Нефлуоресцирующий)
2OxS + Mg2+ ->Mg(OxS)2. (442)
(Флуоресцирующий)
Подобные реакции идут и с сульфидным и с тиоцианатным
ионами. Известен также метод [423], основанный на образовав
нии флуоресцирующего красителя из хелата тория с сульфат-,
фтор- и фосфат-ионами. Более специфичный метод для фосфат-
иона описан Минсом [424]. Фосфат превращают в фосфомолиб-
деновую кислоту, которая реагирует с тиамином в изобутаноле,
давая флуоресцирующий тиохром.
5. Неорганические вещества в кристаллах
и стеклах
О люминесценции поликристаллофосфоров под влиянием
некоторых неорганических «активаторов» упоминалось в раз-
деле У?Д, 1. Она была использована для определения редких
ПРИМЕНЕНИЕ В АНАЛИТИЧЕСКОЙ ХИМИИ
475
земель, например, в вольфрамате кальция. Люминесценция
многих неорганических фосфоров очень чувствительна к при-
меси «тушителя», что используется как метод анализа. Напри-
мер, хром был определен по его тушащему действию на люми-
несценцию шарика из фтористого натрия, активированного
ураном, после погруже-
ния его в раствор хрома
и плавления [425]; следы
меди, серебра, ртути и
платины были обнаруже-
ны по их влиянию на лю-
минесценцию фосфора
сульфида кадмия, активи-
рованного серебром [426].
Неорганические фосфоры
наиболее широко приме-
няются в аналитической
практике для определения
урана по характерной
флуоресценции, появляю-
щейся при сплавлении
следов элемента с фтори-
стым натрием; минималь-
но обнаружимое количе-
ство IO’11 г [427, 428].
Применение методов
с непосредственным воз-
буждением кажется весь-
ма интересным, так как
при растворении прозрач-
ных материалов, таких,
как кварц или кристал-
Р и с. 188. Влияние содержания меди на
люминесценцию синтетического кварца.
Возбуждение светом 250 нм, выделении^ из ртут-
ной лампы решеточным монохроматором с филь-
трами 0X7 и хлорным; ширина полосы анализи-
рующего монохроматора 3,3 нм; 1 — чистый обра-
зец; 2 — образец, содержащий 0,13-10“4 % спе-
циально введенной меди; 3 — образец, содержа-
щий 0,15’10“4% меди в качестве привнесенного
загрязнения; относительные чувствительности при
записи спектров: 70, 1, 8; максимум полосы ком-
бинационного рассеяния эталона, измеренной при
той же чувствительности, что и кривая 3, прибли-
зительно на 50% выше, чем максимум кривой 3;
максимум при 500 нм на кривой 1 обусловлен
возбуждающим рассеянным * светом во втором
порядке дифракции.
лическая окись алюми-
ния, возникают трудности, связанные с появлением фона от
растворителей. Так, хром в рубине определяли по его люминес-
ценции [429], а люминесцирующие агенты в некоторых кристал-
лических лазерных материалах могут быть непосредственно оп-
ределены после анализа стандартных образцов другими мето-
дами. Наблюдение люминесценции плавленого и синтетического
кварца может дать точные указание о присутствии некоторых
примесей. Оказывается, большая часть сине-фиолетового испу-
скания плавленого кварца, возбуждаемого светом с длиной вол-
ны 250 нм, обусловлена присутствием следов алюминия (см.
рис. 85). Однако количественная интерпретация такой люминес-
ценции требует большой осторожности, поскольку ее интенсив-
ность и спектральное распределение зависят от предварительной
476
ГЛАВА V
тепловой обработки материала. По-видимому, примесь того
или иного элемента может располагаться в различных участках
матрицы. Так, введение меди в синтетический кварц вызывает
зеленую люминесценцию, причем интенсивность и спектральное
распределение последней могут значительно варьировать для
разных образцов с тем же самым содержанием меди, как это
показано на рис. 188.
3. ДАЛЬНЕЙШИЕ ПЕРСПЕКТИВЫ
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 признание, и в ближайшие годы область применения
таких измерений должна расшириться. Долгоживущая люми-
несценция в жидком растворе пока еще применяется редко, и
анализ следовых количеств по сенсибилизованной замедленной
флуоресценции при концентрациях, которые низки, но доста-
точны для тушения долгоживущих триплетных молекул, имеет
большие перспективы. Улучшение временного разрешения фос-
фориметра или усовершенствование другого простого оборудо-
вания для разрешения люминесценции с временем жизни
10-6—10-4 с должно обеспечить дополнительные возможности,
например, для использования аннигиляционной замедленной
флуоресценции относительно короткоживущих триплетов.
Можно ожидать, что измерение поляризации люминесцен-
ции, применяемое вплоть до недавнего 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 рассеянного света, а также для исследования тонких эф-
фектов, обусловленных переносом энергии и молекулярным
вращением. Можно ожидать открытия необычных сред или спе-
циальных 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
испускания и, несомненно, могут быть найдены другие особые
ПРИМЕНЕНИЕ В АНАЛИТИЧЕСКОЙ ХИМИИ
477
условия, скажем, использование необычных растворителей, сме-
сей растворителей или твердых полимеров, либо, возможно, ад-
сорбция на особой поверхности или на полимерных молекулах
необычного типа в растворе (см., например, исследования Осте-
ра и сотр. [430—432] по адсорбированным красителям). Кроме
этого, имеется несколько хорошо известных явлений, которые
пока еще мало использовались в аналитической практике. При-
мером может служить внешнее влияние тяжелых атомов, кото-
рое недавно было использовано Цандером при измерениях как
фосфоресценции [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-
гут быть интересным предметом дальнейшего 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 /пХм которой столб-
цы т определяются длинами волн возбуждения, а ряды п —
наблюдаемыми длинами волн. Матричные элементы представ-
ляют собой числа, пропорциональные показанию детектора.
В общем, ранг матрицы дает число компонентов в системе,
имеющих различные спектры поглощения 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 сигналы подаются на осциллограф. Вдоль
оси X меняется длина волны испускания, вдоль оси У — длина
волны возбуждения, а пучок электронов отпирается только
тогда, когда интенсивность испускания достигает заранее вы-
бранного значения. В результате этого на экране возникает
«флуорограмма», или некий контур, соответствующий данному
уровню интенсивности. Затем комбинация флуорограмм, соот-
ветствующих нескольким уровням интенсивности, преобразуется
в трехмерную модель, или «стереофлуорограмму», которая от-
ражает все три спектральных параметра. Шахтер и Хенни при-
менили эту методику к полиядерным ароматическим углеводо-
родам и предложили использовать ее для получения «отпечат-
ков пальцев» чистых соединений. Ценным усовершенствованием
478
ГЛАВА V
было бы непосредственное соединение этого 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 тогда значительно облегчено.
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 его 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
акридинового оранжевого, резерпина, тетрациклина, гормонов
и т. д. в микрообразцах. Подобные методики можно применить
для измерения очень небольших объемов раствора или по-
рошкообразного образца как органического, так и неорганиче-
ского происхождения.
Ясно, что при работе с микроколичествами лазер как ис-
точник возбуждения имеет преимущество, поскольку обеспечи-
вает концентрацию большого потока возбуждающего света на
очень малую площадь. Фотохимическое разложение, несомнен-
но, создаст трудности, но при работе в твердой среде при низ-
кой температуре они могут быть сведены к минимуму. При ис-
следованиях несколько больших образцов лазер можно исполь-
зовать для получения световых потоков, достаточно больших,
чтобы даже в случае короткоживущих триплетов можно было
наблюдать аннигиляционную замедленную флуоресценцию.
Мощные лазеры позволяют возбуждать фосфоресценцию и за-
медленную флуоресценцию при триплет-синглетном поглощении
(см., например, работы [439, 440]). Уже имеются лазеры, даю-
щие излучение при нескольких длинах волн в ультрафиолетовой
области, и быстрый прогресс в лазерной технологии позволяет
рассчитывать на широкое использование их в качестве источ-
ников возбуждения во многих областях исследования и приме-
нения фотолюминесценции.
ОБОЗНАЧЕНИЯ
А Коэффициент пропорциональности
*А, 'В и т. д. Молекулы А, В и т. д. в синглетном основном состоянии
’А*, 1В* и т. д. Молекулы А, В и т. д. в первом возбужденном синглетном
состоянии
3А, 3В и т. д. Молекулы А, В и т. д. в нижнем триплетном состоянии
Апт Эйнштейновская вероятность спонтанного испускания
Аи Площадь источника света
Ао Площадь изображения источника света
А Частотный множитель
а Радиус молекулы
В, В^ Относительная ширина полосы при постоянной ширине щели
Втп Эйнштейновская вероятность поглощения
Впт Эйнштейновская константа вынужденного испускания
с Концентрация 7
сь Концентрация, соответствующая «половинному эффекту»
с Скорость света в вакууме
D, Оптическая плотность
2>л,Рвит. д. Коэффициенты диффузии
d Высота диспергирующего элемента
d, d2 Толщина слоя, флуоресценция которого регистрируется
Е Количество энергии
ДЕ Разность энергий
Er Энергия отталкивания молекул в основном состоянии
Es ' Энергия первого возбужденного синглетного состояния
dE/dh Энергия, испускаемая за секунду в единичном интервале длин
волн
Е Вектор напряженности электрического поля
F Апертура монохроматора
F Измеряемая интенсивность флуоресценции
f Коэффициент активности
f Фокусное расстояние объектива монохроматора
f Доля основной формы вещества
fD Спектр испускания флуоресценции донора, нормированный на
единичную площадь
?М Интенсивности испускания димера и мономера в изобестиче-
ской точке
G Свободная энергия по Гиббсу
gi, gu Мультиплетности основного и возбужденного состояний
п «Полуширина» полосы спектра испускания
Н Теплосодержание (энтальпия)
— ДЯ, — ДЯ* Теплоты образования в основном и в возбужденном состоя-
ниях
— ДЯд Теплота образования возбужденного димера
h Постоянная Планка (6,624 • 10-27 эрг • с)
h Высота щели
1 Интенсивность света
480
ОБОЗНАЧЕНИЯ
1А Скорость поглощения света (квант/с) в объеме I см3 (Z — оп-
тическая толщина слоя)
1а Скорость поглощения света [эйнштейн/(л • с)]
lDF Суммарная скорость испускания замедленной флуоресценции
/^, l'^p Скорости испускания замедленной флуоресценции при взаимо-
действии одинаковых и неодинаковых триплетов
1р Скорость испускания фосфоресценции
/ц, Интенсивность вертикально и горизонтально поляризованного
света
Интенсивность источника сплошного спектра при длине вол-
ны X [эйнштейн/(с • нм) на единицу телесного угла]
iX9 iy Сигнал фотоумножителя при попадании на него вертикально
или горизонтально поляризованного света
id Переменная и постоянная составляющие тока
J Интенсивность монохроматического света от источника линей-
чатого спектра (эйнштейн/с на единицу телесного угла)
Л, К* Константы равновесия в основном и возбужденном состояниях
К Коэффициент пропорциональности
К' и К" Константы, входящие в выражение для отношения суммарных
эффективностей испускания димеров и мономеров
(Г)*
Лг, Кз Константы, входящие в выражение для отношения эффектив-
ностей замедленного испускания димеров и мономеров
Кс Константа равновесия образования комплекса
К Константа тушения (Штерна — Фольмера)
k Эффективное сечение поглощения света молекулой
k Коэффициент пропорциональности
k Постоянная Больцмана (1,3805-10-16 эрг/град)
k (с индексом) См. обозначения констант скорости
£, Коэффициент пропускания монохроматора
Чд, *Ьь Нижние возбужденные синглетные состояния ароматических
углеводородов (в обозначениях Платта)
I Оптическая толщина
М Молярность
т Линейная дисперсия монохроматора (мм/нм)
ms Глубина модуляции флуоресценции и возбуждающего света
N Число Авогадро (6,023 • 1023 моль-1)
N Предэкспоненциальный множитель
п Число молекул
п Показатель преломления
п Орбиталь неподеленной пары
Р Дипольный момент
Р, Р^ Ток фотоумножителя в расчете на один квант
Р$$, PTS Наблюдаемые интенсивности фосфоресценции при возбужде-
нии в полосах поглощения Si-t-S0 и Ti*-S0
р Степень поляризации
р' Измеряемая степень поляризации
ре Кажущаяся степень поляризации
рд Степень поляризации пучка возбуждающего света
Ро Предельная поляризация
рОг Парциальное давление кислорода
р (с индексом) См. обозначения вероятностей
Q Тушитель возбужденного синглетного состояния
Q Скорость испускания флуоресценции
ОБОЗНАЧЕНИЯ
481
Скорость испускания (в эйнштейнах за секунду в единичном
интервале волновых чисел)
Тушители триплетного состояния
Показание регистрирующего прибора
Отношение скоростей мономолекулярного и бимолекулярного
исчезновения триплетов
Критическое расстояние переноса энергии
Суммарные скорости заселения возбужденных состояний ди-
мера и мономера
Показание прибора при его установке на волновое число v
Газовая постоянная
Показания прибора, соответствующие вертикальной и горизон-
тальной составляющим флуоресценции при возбуждении вер-
тикально поляризованным светом
То же при возбуждении горизонтально поляризованным све-
том
Радиус молекулы
Энтропия
Растворимость
Энтропия образования возбужденного димера
Основное и возбужденные синглетные состояния
Спектральная чувствительность комбинации монохроматор +
+ фотоумножитель, выраженная в относительных единицах
интервала длин волн на квант
То же, йо в относительных единицах интервала волновых чи-
сел на квант
Высота источника света
Нижнее триплетное состояние
Относительное пропускание монохроматора для вертикально и
горизонтально поляризованного света
Первое, второе и т. д. триплетные состояния
Световой поток, прошедший через монохроматор, от монохро-
матической линии с длиной волны % (эйнштейн/с)
Световой поток от источника сплошного спектра, прошедший
через монохроматор, в полосе шириной АХ (эйнштейн/с)
Абсолютная температура
Время
Расстояние от линзы до предмета
Плотность излучения
Молярный объем
Расстояние от линзы до изображения предмета
Постоянная прибора
Ширина щели монохроматора
Доля света, поглощенного в слое толщиной 1 см
Доля вещества, диссоциирующая до испускания флуоресцен-
ции
Константы скорости реакций первого порядка
Реакция возбужденной кислоты с водой
Реакция возбужденного основания с водой
Диссоциация электройно-возбужденного димера
Интеркомбинационная конверсия обусловленная тер-
мической активацией
Испускание флуоресценции
482
ОБОЗНАЧЕНИЯ
kf ki kf kg k'g kga kh> kj Флуоресценция кислоты Флуоресценция основания Флуоресценция димера Интеркомбинационная конверсия Si -> Л Интеркомбинационная конверсия Sn -* Тп Интеркомбинационная конверсия т\ -> Sj Брутто-константы первого порядка процессов исчезновения три-
k°h плетов Предельное значение константы скорости kh при нйЗкдй Темпера- туре
km kn k'n k'n Интеркомбинационная конверсия ?i->S0 Внутренняя конверсия Si-> So Внутренняя конверсия Sn->Sn-i или ТП“+ТП~\ Дезактивация возбужденного димера в результате безызлучатель- ного процесса
ko Безызлучательная дезактивация возбужденного синглетного состоя-
k'b ния кислоты Безызлучательная дезактивация возбужденного синглетного состоя- ния основания
kp kr Испускание фосфоресценции Превращение продукта триплет-триплетной аннигиляции в продукты,
ks отличающиеся от синглет-возбужденного мономера Превращение продукта триплет-триплетной аннигиляции в синглет-
kf) возбужденный мономер Реакция триплета с растворителем Константы скорости реакций второго порядка
kz k4 kA Реакция возбужденного основания с НзО+ Реакция возбужденной кислоты с ОН” Ассоциация возбужденного мономера с мономером в основном со- стоянии
ka ka Реакция возбужденного основания с кислотой Брутто-константа исчезновения триплетов в процессах второго по- рядка
kb kc Реакция возбужденной кислоты с основанием Диффузионная константа скорости, рассчитанная по уравнению
О O’ Ь- ц »й» «се .а» -а» kc = вЯТ/ЗОООт) Тушение триплета молекулой в основном состоянии Тушение синглета растворенным веществом Q Тушение триплета растворенным веществом q Образование продукта X при триплет-триплетной аннигиляции Вероятности
Paa Вероятность образования 1А* в результате встречи двух триплетов соединения А
Pa Вероятность образования синглет-возбужденной молекулы в резуль- тате аннигиляции двух одинаковых триплетов
ОБОЗНАЧЕНИЯ
483
Рс Вероятность образования синглет-возбужденпой молекулы в резуль- тате встречи двух одинаковых триплетов
PDA Вероятность образования 14* в результате встречи триплетов соеди- нений D и А
Ре Ре Вероятность образования 3А в результате встречи М и 3D Доля тушащих встреч 'А и 3D, которые приводят к образованию 34
а а а Поляризуемость Угловая дисперсия монохроматора Постоянная Биркса (отношение скоростей образования возбужден- ного димера и возбужденного мономера при взаимодействии три-
е, 8' ess* 8TS плетов) Угол между осцилляторами поглощения и испускания Степень деполяризации Молярный коэффициент погашения (экстинкции) Молярный коэффициент погашения для полос поглощения Si*-So „ Т > С
g n l/n° 0 И 1 1Ч— до Сдвиг фаз между флуоресценцией и возбуждающим светом Вязкость «Предельное значение» текучести при высокой температуре Угол между переходным моментом и вектором напряженности элек-
0 трическогб поля Суммарная эффективность аннигиляционной замедленной флуорес- ценции (замедленной флуоресценции типа Р)
О. и т. д. Эффективность аннигиляционной замедленной флуоресценции веще-
0' ства 4 и т. д. Эффективность замедленной флуоресценции, обусловленной взаимо-
0" X X V V л р а а т, V Тл, т XD XDF _.О ХМ То XR tr XSS' XTS 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 4 Время жизни возбужденного димера при бесконечном разбавлении Время жизни замедленной флуоресценции Время жизни мономера при бесконечном разбавлении Время жизни в отсутствие добавок тушителя Излучательное время жизни триплетного состояния Излучательное время жизни синглетного состояния Времена жизни замедленной флуоресценции, возбуждаемой при по- глощении в полосах переходов Si<-S0 и Ti*-S0
xt Ф %’ % Ф Время жизни триплета Квантовая эффективность фотохимической реакции Суммарные эффективности люминесценции димера и мономера Азимутальный угол между осью молекулы и направлением наблю- дения
484
ОБОЗНАЧЕНИЯ
Ф
Ф>
Фа
Ф^
ф^
Эффективность быстрой флуоресценции или фосфоресценции
<р' Эффективности флуоресценции кислой и основной форм
и т. д. Эффективность флуоресценции веществ А и т. д.
Эффективность замедленной флуоресценции типа Е
Эффективность быстрой флуоресценции
<р° Фо» Фо То же в отсутствие добавок тушителей Эффективность флуоресценции кислой и основной форм в сильно кислом и в сильнощелочном растворах соответственно
фр ф, (0 Эффективность фосфоресценции Эффективность образования триплетов Угловая скорость модуляции
ОБЩАЯ ЛИТЕРАТУРА
Bertman В. Handbook of Fluorescence Spectra of Aromatic Molecules, Aca-
demic Press, New York 1965.
Bowen E. J., The Chemical Aspects of Light, Clarendon Press, Oxford, 1946.
Bowen E. J.t Wokes F., Fluorescence of Solutions, Longmans, Green and Co.,
London, 1953.
Калверт Дж., Питтс Дж. Фотохимия, «Мир», М., 1968.
Daniels F. (ed.), Photochemistry in the Liquid and Solid States, John Wiley and
Sons. Inc.,'New York, 1960.
Ellis C., Wells A. A., The Chemical Action of Ultraviolet Rays, Reinhold Pub-
lishing Corporation, New York, 1941.
Forster Th., Fluoreszenz Organischer Verbindungen, Vandenhoeck und Ruprecht,
Gottingen, 1951.
Garlick G. F. J., Luminescence, Handbuch der Physik, Vol. 26, Springer-Verlag,
Berlin, 1958.
Hercules D. M. (ed.), Fluorescence and Phosphorescence Analysis, Interscience
Publishers, Inc., New York, 1966.
Kallman H., Spruch G. M. (eds.), Luminescence of Organic and Inorganic Ma-
terials, John Wiley and Sons, Inc., New York, 1962.
Константинова-Шлезингер M. А., Люминесцентный анализ, Физматгиз, M.,
1961.
Leverenz Н. W., Luminescence of Solids, Chapman and Hall Ltd., London, 1950.
McElroy W. D., Glass B. (eds.), Light and Life, The Johns Hopkins Press, 1961.
Murrell J. N., The Theory of the Electronic Spectra of Organic Molecules, Me-
thuen and Co., Ltd., London, 1963.
Noyes W. A., Jr., Hammond G. S., Pitts J. N., Jr., Advances in Photochemistry,
Interscience Publishers, Inc., New York, Vol. 1 (1963), Vol. 2 (1964), Vol. 3
(1964), Vol. 4 (1966).
Passwater R. A., Guide to the Fluorescence Literature, Plenum Press, New York,
1967.
Прингсгейм П., Флуоресценция и фосфоресценция, ИЛ, М., 1951.
Radley J. A., Grant J., Fluorescence Analysis in Ultra-violet Light, 4th edition,
Chapman and Hall Ltd., London, 1954.
Рао Ч. H. P., Электронные спектры в химии, «Мир», М., 1964.
Рид С., Возбужденные электронные состояния в <имии и биологии, ИЛ, М.,
1960.
Юденфренд С., Флуоресцентный анализ в биологии и медицине. «Мир», М.,
1965.
White С. Е., Weissler A., in «Handbook of Analytical Chemistry», ed. by Mei-
tes L., McGraw-Hill, 1964.
Zahlan A. B. (ed.), The Triplet State, Beirut Simposium, Cambridge University
Press, Cambridge, 1967.
Reactivity of the Photoexcited Organic Molecule, Proc. 13th Conf, on Chemistry,
> Brussels, 1965, Interscience Publishers, Inc., New York, 1967.
ЛИТЕРАТУРА
1. Lippert Е., Luder W., Moll F., Spectrochim. Acta, 10, 858 (1959).
2 Lippert E., Z. Naturforsch., 10a, 541 (1955); Z. Elektrochem., 61, 962 (1957).
3. Malaga N.t Kaifu У., Koizumi M., Bull. Chem. Soc. Japan, 28, 690 (1955);
29, 465 (1956).
4. Hughes H. K., Anal. Chem., 24, 1349 (1952); 33, 1968 (1961).
5. Bowen E. J., Wokes F., Fluorescence of Solutions, Longmans Green and
Co., London, 1953.
6. Forster Th., Fluoreszenz Organischer Verbindungen, Vandenhoeck und Rup-
recht, Gottingen, 1951.
7. Birks J. B., Dyson D. J., Proc. Roy. Soc. (London), A, 275, 135 (1963).
8. Murrell J. N,t The Theory of the Electronic Spectra of Organic Molecules,
Methuen and Co., Ltd., London, 1963.
9. Porter G., in «Reactivity of the Photoexcited Organic Molecule», Proc. 13th
Conf, on Chemistry, Brussels, 1965, Interscience Publishers, Inc., New York,
1967.
10. Kasha M.t Discussions Faraday Soc., № 9, 14 (1950).
11. Kasha M., in «Light and Life», ed. by McElroy W. D. and Glass B., The
Johns Hopkins Press, 1961.
12. Porter G., Suppan P.t Trans. Faraday Soc., 61, 1664 (1965).
13. Parker C. A., unpublished work.
.14. Mulliken R. S., J. Phys. Chem., 56, 801 (1952).
15. Briegleb G., Czekalla J., Angew. Chem., 72, 401 (1960).
16. Czekalla D., Meyer К. O., Z. Physik. Chem. (Frankfurt), 27, 185 (1961);
Short G. D., Parker C. A., Spectrochim. Acta, 23A, 2487 (1967).
17. Sidman J., Chem. Rev., 58, 689 (1958).
18. Bauer R., Baczynski A., Bull. Acad. Polon. Sci., 6, 113 (1958).
19. Parker C. A., Hatchard C. G.t Trans. Faraday Soc., 57, 1894 (1961).
20. Lim E. C., Laposa J. D.t Yu J. M. H., J. Mol. Spectry., 19, 412 (1966).
21. O'Dwyer M. F.t El-Bayoumi M. A., Strickler S. J., J. Chem. Phys., 36, 1395
(1962).
22. Kato S., Lipsky S., Braun C. L., J. Chem. Phys., 37, 190 (1962).
23. Bowen E. J., Sahu J., J. Phys. Chem., 63, 4 (1959).
24. Bowen E. J., Seaman D.t in «Luminescence of Organic and Inorganic Mate-
rials», ed. by Kailman H. and Spruch G. M., John Wiley and Sons, Inc., New
York, 1962.
25. Perrin F., Ann. Phys. (Paris), 12, 169 (1929).
26. Jablonski A., Nature, 131, 839 (1933).
27. Jablonski A., Z. Physik, 94, 38 (1935).
28. Левшин В. Л., Винокуров Л. A., Physik. Z. Sowjet U., 10, 10 (1936).
29. Lewis G. N., Lipkin D., Magel T. T. J. Am. Chem. Soc., 63, 3005 (1941).
30. Lewis G. N., Kasha M., J. Am. Chem. Soc., 66, 2100 (1944).
31. Boudin S., J. Chim. Phys., 27, 285 (1930).
32. Kautsky H., Chem. Ber., 68, 152 (1935).
33. Backstrom H. L. J., Sandros K., Acta Chem. Scand., 12, 823 (1958).
34. Parker C. A., Hatchard C. G., Trans. Faraday Soc., 59, 284 (1963).
35. Parker C. A., Hatchard C. G., J. Phys. Chem., 66, 2506 (1962).
36. Parker C. A., Hatchard C. G., Joyce T. A., J. Mol. Spectry., 14, 311 (1964).
37. Дцкун /7. /7., ЖЭТФ, 20, 193 (1950).
ЛИТЕРАТУРА
48?
38. Williams R., J. Chem. Phys., 28, 577 (1958).
39. Stevens B.t Hutton E., Porter G., Nature, 185, 917 (1960).
40. Forster Th.t Kasper K-, Z. Elektrochem., 59, 977 (1955).
41. Stevens B.t Hutton E., Nature, 186, 1045 (1960).
42. Stevens B., Hutton E., Spectrochim. Acta, 18, 425 (1962).
43. Parker C^A., Hatchard C. G., Nature, 190, 165 (1965).
44. Birks J. B.t Munro I. H.f in «Luminescence of Organic and Inorganic
Materials», ed. by Kaliman H. and Spruch G. M., John Wiley and Sons.
Inc., New York, 1962.
45. Parker C. A., Hatchard C. G.t Proc. Chem. Soc., 1962, 147.
46. Parker C, A., Hatchard C. G., Proc. Roy. Soc. (London), A, 269, 574
(1962).
47. Stevens B., Walker M. S., Hutton E.t Proc. Chem. Soc., 1963, 62.
48. Lewis G. N., Lipkin D., J. Am. Chem. Soc., 64, 2801 (1942).
49. Debye P., Edwards J. O.t J. Chem. Phys., 20, 236 (1952).
50. Linschitz H.t Berry M. G., Schweitzer D., J. Am. Chem. Soc., 76, 5833
(1954).
51. Meyer W. C., Albrecht A. C., J. Phys. Chem., 66, 1168 (1962).
52. Dolan E.t Albrecht A. C., J. Chem. Phys., 37, 1149 (1962); 38, 567 (1963).
53. McClain W. M., Albrecht A. C„ J. Chem. Phys., 43, 465 (1965).
54. Lim E. C., Swenson G, W.t J. Chem Phys., 36, 118 (1962); 39, 2768 (1963).
55. Lim E. C„ Wen W. Y., J. Chem. Phys., 39, 847 (1963).
56. Lim E. C., Lazzara С. P., Yang M. Y., Swenson G. W., J. Chem. Phys.,
43, 970 (1965).
57. Cadogan K. D.t Albrecht A. C.t J. Chem. Phys., 43, 2550 (1965).
58. Stevens B., Walker M. S., Chem. Commun., 1965, 8.
59. Parker C. A., Joyce T. A., J. Chem. Soc., A, 1966, 821.
60. Gibbons W. A., Porter G., Savadatti M. I., Nature, 206, 1355 (1965).
61. Brocklehurst B., Gibbons W. A., Lang F. T., Porter G., Savadatti M. I.,
Trans. Faraday Soc., 62, 1793 (1966).
62. Perrin F.t J. Phys. Radium, 7, 390 (1926).
63. Jablonski A.t Z. Physik, 96, 236 (1935).
64. Azumi T., McGlynn S. P., J. Chem. Phys., 37, 2413 (1962).
65. Jablonski A., Acta Phys. Polon., 10, 33, 193 (1950).
66. Weber G., Trans. Faraday Soc., 50, 552 (1954).
67. Феофилов П. П., Свешников В. И., J. Phys. USSR, 3, 493 (1940).
68. Partington J. R., An Advanced Treatise on Physical Chemistry, Vol. 4,
Longmans, Green and Co., London, 1953.
69. Herzberg G., Molecular Spectra and Molecular Structure. II. Infra-red and
Raman Spectra of Polyatomic Molecules, D. Van Nostrand Co. Inc., New
York, 1959.
70. Hibben J. H., The Raman Effect and its Chemical Applications, Reinhold
Publishing Corp., Inc., New York, 1939.
71. Eisenbrand J., Picher H., Z. Elektrochem., 50, 72 (1944).
72. Eisenbrand J., Optik, 11, 557 (1954).
73. Parker C. A.t Analyst, 84, 446 (1959). #
74. Price J. M., Kaihara M., Howerton H. K-, Appl. Opt., 1, 521
(1962).
75. Stern O, Volmer M., Phys. Z., 20, 183 (1919).
76. Bowen E. J., Trans. Faraday Soc., 50, 97 (1954).
77. Hodgman C. D. (ed.), Handbook of Chemistry and Physics, 13th edition
Chemical Rubber Publishing Co., Cleveland, 1948.
78. Williamson B., de la Мег V. K., J. Am. Chem. Soc., 70, 717 (1948).
79. Debye P.t Trans. Electrochem. Soc., 82, 265 (1942).
80. Smoluchowski M., Z. Physik. Chem. (Leipzig), 92, 129 (1917).
81 Stokes G. G. (1850), Mathematical and Physical Papers, Vol. Шг Cambrid-
ge University Press, London, 1903, p. 1, 55.
488
ЛИТЕРАТУРА
82. Einstein Л., Ann. Physik, 17, 549 (1905); 19, 371 (1906); Z. Elektrochem.,
14, 235 (1908).
83. Osborne A. D., Porter G., Proc. Roy. Soc. (London), A, 284, 9 (1965).
84. Parker С. Л., Trans. Faraday Soc., 60, 1998 (1964).
85. Tanaka C., Tanaka J., Hutton E., Stevens B., Nature, 198, 1192 (1963).
86. Parker С. Л., Nature, 200, 331 (1963).
87. Noyes R. M. in «Progress in Reaction Kinetics», ed. by Porter G. and Ste-
vens В. B., Vol. 1, Pergamon Press, Oxford, 1961.
88. Beer M, Longuet-Higgins H. C., J. Chem. Phys., 23, 1390 (1955).
89. Viswanath G., Kasha M., J. Chem. Phys., 24, 574 (1956).
90. Parker С. Л., Hatchard C. G., unpublished work.
91. Hilpern J. W., Trans. Faraday Soc., 61, 605 (1965); Birks J. B., De C. Con-
te J. M., Walker G., Phys. Letters, 19, 125 (1965).
92. Hochstrasser R. M., McAlpine R. D., J. Chem. Phys., 44, 3325 (1966);
Munro J. H., Hamilton T. D. S., Ray J. P., Moore G. F., Phys. Letters, 20,
386 (1966).
93. Gaviola E., Pringsheim P., Z. Physik, 24, 24 (1924).
94. Weigert F., Kappler G., Z. Physik, 25, 99 (1924) .
95. Perrin J., in «2-eme Conseil de Chimie Solvay», Brussels, 1924, Gauthier-
Villars, Paris, 1925.
96. Perrin J., Compt. Rend., 184, 1097 (1927).
97. Forster Th., Ann. Physik; series 6, 2, 55 (1948).
98. Forster Th., Discussions Faraday Soc., 27, 7 (1959).
99. Калверт Дж., Питтс Дж., Фотохимия, «Мир», М., 1967.
100. Bowen Е. J., Livingston R., J. Am. Chem. Soc., 76, 6300 (1954).
101. Dubois J. T., Stevens B., in «Luminescence of Organic and Inorganic
Materials», ed. by Kailman H. P. and Spruch G. M., John Wiley and Sons
Inc., New York, 1962.
102. Weber G., Teale F. W. J., Trans. Faraday Soc., 61, 620 (1962).
103. Medinger T., Wilkinson F., Trans. Faraday Soc., 61, 620 (1965).
104. Parker C. A., Joyce T. A„ Trans. Faraday Soc., 62, 2785 (1966).
105. Lamola A. A., Hammond G. S., J. Chem. Phys., 43, 2129 (1965).
106. Теренин А., Ермолаев В., Trans. Faraday Soc., 52, 1042 (1956).
107. Backstrom H. L. J., Sandros K-, Acta Chem. Scand., 14, 48 (1960).
108. Porter G., Wilkinson F., Proc. Roy. Soc. (London) A, 264, 1 (1961).
109. Sandros K., Backstrom H. L. J., Acta СЦеш. Scand., 16, 958 (1962).
110. Parker C. A., Hatchard C. G., Joyce T. A., Nature, 205, 1282 (1965).
111. Parker C. A., in «Advances in Photochemistry», ed. by Noyes W. A., Jr.,
Hammond G. S. and Pitts J. N., Jr., Vol. 2, Interscience Publishers, New
York, 1964.
112. Parker C. A., Spectrochim. Acta, 19, 989 (1963).
113. Parker С. Л., Joyce T. A., Chem. Commun., 1966, 108.
114. Parker C. A., Joyce T. A., Photochem. Photobiol., 6, 395 (1967).
115. Stevens B., Walker M. S., Proc. Roy. Soc. (London), A, 281, 420 (1964).
116. Czarnecki S., Bull. Acad. Polon. Sci, 9, 561 (1961).
117. Muel B., Compt. Rend., 255, 3149 (1962).
118. Azumi T., McGlynn S. P., J. Chem. Phys., 38, 2773 (1963).
119. Azumi T., McGlynn S. P., J. Chem. Phys., 39, 1186 (1963).
120. Dupuy F., Thesis, University of Bordeaux, 1964.
121. Azumi T., McClynn S. P., J. Chem. Phys., 39, 3533 (1963); Smith F. J.,
McGlynn S. P., J. Chem. Phys., 42, 4308 (1965).
122. MsGlynn S. P., Padhye M. R., Kasha M., J. Chem. Phys., 23, 593 (1955).
123. Parker C. A., Proc. Roy. Soc. (London), A, 276, 125 (1963).
124. Parker C. A., Hatchard C. G., Proc. Chem. Soc., 1962, 386.
125. Parker C. A., Hatchard C. G., Joyce T. A., Analyst, 90, 1 (1965).
126. Прингсгейм П., Флуоресценция и фосфоресценция, ИЛ, М., 1951.
127. Bowman R. L., Caulfield Р. A., Udenfriend S., Science, 122, 32 (1955).
ЛИТЕРАТУРА
489
Weber G., Teale F. W. J., Biochem. J., 65, 476 (1957).
Teale F. W. J., Biochem. J., 76, 381 (1960).
White С. E., Hoffman D. E., Magee J. S., Spectrochim. Acta, 9, 105 (1957).
Parker C. A., Barnes W. J., Analyst, 82, 606 (1957).
Johns H. E., Ralph A. M., Photochem. Photobiol, 4, 673, 693 (1965).
Elenbaas W., Riemens J., Philips Techn. Rev., 11, 299 (1950).
Nelson E. H., Phot. J., 89B, 54 (1949).
Sill C. W., Anal. Chem., 33, 1584 (1961).
Bowen E. J., The Chemical Aspects of Light, Clarendon Press, Oxford,
1946.
Kasha M., J. Opt. Soc. Am., 38, 929 (1948).
Sharpe J., Electronic Technology, 38, 196, 248 (1961).
Harrison G. R., Leighton P. A., Phys. Rev., 88, 899 (1931).
Bowen E. J., Proc. Roy. Soc. (London), A154, 349 (1936).
Melhuish W. H., New Zealand J. Sci. Technol., 37, 2B, 142 (1955); J. Opt.
Soc. Am., 52, 1256 (1962).
Weber G., Teale F. W. J., Trans. Faraday S'oc., 53, 646 (1957).
Parker C. A., Nature, 182, 1002 (1958).
Parker C. A., Proc. Roy. Soc. (London), A, 220, 104 (1953).
Parker C. A., Trans. Faraday Soc., 50, 1213 (1954).
Hatchard C. G., Parker C. A., Proc. Roy. Soc. (London), A, 235, 518
(1956).
Parker C. A., Hatchard C. G., J. Phys. Chem., 63, 22 (1959).
Lee J., Seliger H. H., J. Chem. Phys., 40, 519 (1964).
Baxendale J. H., Bridge N. K., J. Phys. Chem., 59, 783 (1955).
Parker C. A., Rees W. T., Analyst, 87, 83 (1962).
Hirshberg У., Fischer E., Rev. Sci. Instr., 30, 197 (1959).
Argauer R. J., White С. E., Anal. Chem., 36, 368 (1964).
Slavin W., Mooney R. W., Palumbo D. T., J. Opt. Soc. Am., 51, 93 (1961).
Lipsett F. R., J. Opt. Soc. Am., 49, 673 (1959).
Turner G. K., Science, 146, 183 (1964).
Melhuish W4 H., Murashige R. H., Rev. Sci. Instr., 33, 1213 (1962).
Sill C. W., Anal. Chem., 33, 1579 (1961).
Parker C. A., Rees W. T., Analyst, 85, 857 (1960). .
Benford F., Lloyd G. P., Schwarz S., J. Opt. Soc. Am., 38, 445, 964 (1948J.
Parker C. A., Anal. Chem., 34, 502 (1962).
Borresen H. C., Parker C. A., Anal. Chem., 38, 1073 (1966).
Melhuish W. H., J. Phys. Chem., 64, 762 (1960).
Lippert E., Nagele W., Seibold-Blankenstein /., Steiger W., Voss W., Z.
Anal. Chem., 170, 1 (1959).
Chapman J. H., Forster Th., Kortum G., Lippert E., Melhuish W. H.,
Nebbia G., Parker C. A., Photoelec. Spectrometry Group Bull., № 14, 378
(1962); Appl. Spectry., 17, 171 (1963); Z. Anal. Chem., 197, 431 (1963).
Drushel H. V., Sommers A. L., Cox R. C., Anal. Chem., 35, 2166 (1963).
Rosen P., Edelman G. M., Rev. Sci. Instr., 36, 809 (1965).
Hamilton T. D. S., J. Sci. Instr., 43, 49 (1966).
Kortum G., Hess W., Z. Physik. Chem. (Frankfurt), 19, 142 (1959).
Hill R. M., Oechsli R., Marg E., J. Opt. Soc. Am., 51, 1139 (1961).
Мекшенков M. И., Андрейцев А. П., Биофизика, 5, 616 (1960); 6, 615
(1961).
Lipsett F. R., Photoelec. Spectrometry Group Bull., № 16, 474 (1965).
Вавилов С. И., Z. Physik, 22, 266 (1924).
Forster L. S., Livingston R., J. Chem. Phys., 20, 1315 (1952).
Bowen E. J., Sawtell J. W., Trans. Faraday Soc., 33, 1425 (1937).
Melhuish W. H., J. Phys. Chem., 65, 229 (1961).
Gilmore E. H., Gibson G. E4 McClure D. S., J. Chem. Phys., 20, 829
(1952).
490
ЛИТЕРАТУРА
177. Bertman I. В., Handbook of Fluorescence Spectra of Aromatic Molecules,
Academic Press, New York, 1965.
178. Bowen E. J.t Cook R. J., J. Chem. Soc., 1953, 3059.
179. Parker C. A., Joyce T. A.t Chem. Commun., 1967, 744.
180. Hellstr от H., Arkiv Kemi Mineral. Geol., 12A, 17 (1937).
181. Umber ger J., LaMer V., J. Am. Chem. Soc., 67, 1099 (1945).
182. Bowen E. J., in «Advances in Photochemistry», ed. by Noyes W. A. and
Hammond G. S., Pitts J. N., Jr., Vol. 1, Interscience Publishers, New York,
1963.
183. Bowen E. J., Williams A. H., Trans. Faraday Soc., 35, 765 (1939).
184. Hermans J. J., Levinson S., Opt. Soc. Am., 41, 460 (1951).
185. Birks J. B., Little W. A., Proc. Phys. Soc. (London), A, 66, 921 (1953).
186. Bailey E., Rollefson G.t J. Chem. Phys., 21, 1315 (1953).
187. Venetta B. D., Rev. Sci. Instr., 30, 450 (1959).
188. Liebson S. H., Nucleonics, 10, 41 (1952).
189. Scharmann A., Z. Naturforsch., 11 A, 398 (1956).
190. Schmillen A, Z. Physik, 135, 294 (1953).
191. Birks J. B., Dyson D. J.t J. Sci. Instr., 38, 282 (1961).
192. Birks J. B., Dyson D. J.t Munro I. H., Proc. Roy. Soc. (London), A, 275,
575 (1963).
193. Malmberg J. H., Rev. Sci. Instr., 28, 1027 (1957).
194. Brody S. S., Rev. Sci. Instr., 28, 1020 (1957).
195. Birks J. B., King T. A., Munro L H., Proc. Phys. Soc. (London), 80, 355
(1962).
196. Hendee C. F., Brown W. B., Philips Tech. Rev., 19, 50 (1957).
197. Bennett R. G, Rev. Sci. Instr., 31, 1275 (1960).
198. Mataga N., Tomura M., Nishimura H., Mol. Phys., 9, 367 (1965).
199. Dubois J. T., Cox M., J. Chem. Phys., 38, 2536 (1963).
200. Dubois J. T., Van Hemert R. L., J. Chem. Phys., 40, 923 (1964).
201. Иванова T. В., Кудряшов П. И., Свешников Б. Я., ДАН СССР, 138,
572 (1961).
202. Becquerel Е., Ann. Chim. Phys. (Paris), 27, 539 (1871).
203. Parker C. A., Hatchard C. G, Analyst, 87, 664 (1962).
204. Coetzee J, F., Cunningham G. P.t McGuire D. K.t Padmanabhan G. R.,
Anal. Chem., 34, 1139 (1962).
205. Maricle D. L.t Anal. Chem., 35, 683 (1963).
206. Maricle D. L., Hodgson W. G., Anal. Chem., 37, 1562 (1965).
207. Winefordner J. D., St. John P. A., Anal. Chem., 35, 2211 (1963).
208. Greenspan H.t Fischer E., J. Phys. Chem., 69, 2466 (1965).
209. Pfann W. G., Zone Melting, 2nd edition, John Wiley and Sons, Inc., New
York, 1966.
210. Parker C. A., in «Proc. SA Conf., Nottingham», ed. by Shallis P. W. and
Heffer W. and Sons Ltd., Cambridge, 1965.
211. Ainsworth S., Winter E., Appl. Opt., 3, 371 (1964).
212. Johnson J., Richards E. G., Arch. Biochem. Biophys., 97, 250 (1962).
213. Weber G, Biochem. J., 51, 155 (1952).
214. Weber G., J. Opt. Soc. Am., 46, 962 (1956).
215. Weber G., Biochem. J., 75, 335 (1960).
216. Bowers P. G., Porter G., Proc. Roy. Soc. (London), A, 296, 435 (1967).
217. Leonhardt H., Weller A., in «Luminescence of Organic and Inorganic Ma-
terials», ed. by Kallmann H. P. and Spruch G. M., John Wiley and Sons,
New York, London, 1962.
218. Kasha M., J. Chem. Phys., 20, 71 (1952).
219. Medinger T., Wilkinson F., Trans. Faraday Soc., 62, 1785 (1966).
220. Parker C. A., Joyce T. A., Chem. Commun., 1966, 234.
221. Borkman R. F., Kearns D. R., Chem. Commun., 1966, 446.
222. Porter G., Wilkinson F., Trans. Faraday Soc., 57, 1686 (1961).
ЛИТЕРАТУРА
491
Livingston R., McCartin P. J., J. Phys. Chem., 67, 2511 (1963).
Porter G., Stief L. J., Nature, 195, 991 (1962).
Herkstroeter W. G., Lamola A. A., Hammond G. S, J. Am. Chem. Soc.t
86,4537 (1964).
McClure D. S, J. Chem. Phys., 17, 905 (1949).
Jackson G., Porter G., Proc. Roy. Soc. (London), A, 260, 13 (1961).
Теренин A. H., Ермолаев В. Л., J. Chim. Phys., 55, 698 (1958).
Parker C. A., Joyce T. A., Nature, 210, 701 (1966).
Hall G. G., Proc. Roy. Soc. (London), A, 213, 113 (1952).
McGlynn S. P., Azumi T., Kasha M., J. Chem. Phys., 40, 507 (1964).
Evans D. F., J. Chem. Soc., 1957, 1351.
Rothmann W., Case A:'Kearns D. R., J. Chem. Phys., 43, 1067 (1965).
Avakian P., Abramson E., Kepler R. G., Caris J. C, J. Chem. Phys., 39,
1127 (1963).
Weber K., Z. Physik. Chem. (Leipzig), B15, 18 (1931).
Forster Th., Z. Elektrochem., 54, 42 (1950).
Forster Th., Z. Elektrochem., 54, 531 (1950).
Forster Th., in «Photochemistry in the Liquid and Solid States», ed. by
Daniels F., John Wiley and Sons Inc., New York, 1960.
Bartok W., Lucchesi P. J., Snider N. S., J. Am. Chem. Soc., 84, 1842
(1962).
Weller A., Z. Physik. Chem. (Frankfurt), 17, 224 (1958).
Weller A., in «Progress in Reaction Kinetics», ed. by Porter G. and Ste-
vens B., Vol. 1, Pergamon Press, London, 1961.
Деркачева Л. Д., Оптика и спектр., 9, 209 (1960).
Weller A., Z. Elektrochem., 61, 956 (1957).
Weller A., Z. Elektrochem, 56, 662 (1952).
Weller A., Z. Elektrochem, 58, 849 (1954).
Weller A., Z. Physik. Chem. (Frankfurt), 3, 238 (1955).
Weller A., Z. Elektrochem, 60, 1144 (1956).
Birks J. B., Appleyard J. H., Pope R., Photochem. Photobiol, 2, 493 (1963).
Stevens B., Ban M. I., Trans. Faraday Soc, 60, 1515 (1964).
Forster Th., Kasper K., Z. Physik. Chem. (Frankfurt), 1, 275 (1954).
Kasper K., Z. Physik. Chem. (Frankfurt), 12, 52 (1959).
Doller E., Forster Th., Z. Physik. Chem. (Frankfurt), 34, 132 (1962).
Birks J. B., Lumb M. D., Munro I. H., Proc. Roy. Soc. (London), A, 280,
289 (1964).
Bandow F., Z. Physik. Chem. (Leipzig), 196, 329 (1951).
Doller E., Z. Physik. Chem. (Frankfurt), 34, 151 (1962).
Berlman I. B., Weinreb A., Mol. Phys, 5, 313 (1962).
Doller E., Forster Th., Z. Physik. Chem. (Frankfurt), 31, 274 (1962).
Birks J. B., Christophorou L. G., Spectrochim. Acta, 19, 401 (1963).
Birks J. B., Aladekomo J. B., Spectrochim. Acta, 20, 15 (1964).
Aladekomo J. B., Birks J. B., Proc. Roy. Soc. (London), A, 284, 551 (1965).
Birks J. B., King T. A., Proc. Roy. Soc. (London), A, 291, 244 (1966).
Birks J. B., Christophorou L. G., Proc. Soc. (London), A, 274, 552 (1963).
Birks J. B., Christophorou L. G., Proc. Roy. Soc. (London), A, 277, 571
(1964).
Иванова T. В., Мокеева Г. А., Свешников В. Я., Оптика и спектр, 12,
586 (1962).
Birks J. В., Braga С. L., Lumb М. D., Proc. Roy. Soc. (London), A,
283, 83 (1965).
Bowen E. J., Tanner D. W., Trans. Faraday Soc, 51, 475 (1955).
Birks J. B., Christophorou L. G., Nature, 197, 1064 (1963).
Birks J. B., Aladekomo J. B., Photochem. Photobiol, 2, 415 (1963).
Barnes R. L., Birks J. B., Proc. Roy. Soc. (London), A, 291, 570 (1966).
Hamilton T. D. S., Photochem. Photobiol, 3, 153 (1964).
492
ЛИТЕРАТУРА
271. Birks J. В., Christophorou L. G., Nature, 196, 33 (1962).
272. Platt J. R., J. Chem. Phys., 17, 484 (1949).
273. Hirayama F., J. Chem. Phys., 42, 3163 (1965).
274. Yanari S. S, Bovey F. A, Lumry R., Nature, 200, 242 (1963).
275. Chandross E. A, J. Chem. Phys., 43, 4175 (1965).
276. Chandross E. A., Longworth J. W, Visco R. E., J. Am. Chem. Soc., 87,
3259 (1965).
277. Birks J. B., Moore G. F., Munro I. H., Spectrochim. Acta, 22, 323 (1966).
278. Parker C. A, Spectrochim. Acta, 22, 1677 (1966).
279. Birks J. B., J. Phys. Chem., 67, 1299 (1963); 68, 439 (1964).
280. Parker C, A, Short G. D., Trans. Faraday Soc., 63, 2618 (1967).
281. Nagakura S, Baba H., J. Am. Chem. Soc., 74, 5693 (1952).
282. Livingston R., Watson W. F., McArdle J., J. Am. Chem. Soc., 71, 1542
(1949).
283. Mataga N., Kaifu У, Koizumi M., Bull. Chem. Soc. Japan, 29, 373 (1956).
284. Bredereck K>, Forster Th., Oesterlin H. G., in «Luminescence of Organic
and Inorganic Materials», ed. by Kaliman H. P. and Spruch G. M, John
Wiley and Sons, New York, 1962.
285. Шпольский Э. В., Усп. физ. наук, 71, 215 (1960).
286. Шпольский Э. В., Ильина А. А., Климова Л. А., ДАН СССР, 87, 935
(1952).
287. Шпольский Э. В., Климова Л. А., Изв. АН СССР, сер. физ., 18, 673
(1954).
288. Bowen Е. J., Brocklehurst В., J. Chem. Soc., 1954, 3875.
289. Bowen Е. J., Brocklehurst В., J. Chem. Soc., 1955, 4320.
290. Шпольский Э. В., Усп. физ. наук, 68, 51 (1959).
291. Дикун П. П., Вопросы онкологии, 5, 672 (1959).
292. Muel В., Lacroix G., Bull. Soc. Chim. France, 2139 (1960).
293. Персонов P. И., ЖАХ, 17, 506 (1962).
294. Тепляков П. А, Оптика и спектр., 15, 645 (1963).
295. Гобое Г. В., Оптика и спектр., 15, 362 (1963).
296. Рузевич 3. С., Оптика и спектр, 15, 357 (1963).
297. Климова Л. А., Оптика и спектр., 15, 344 (1963).
298. Шигорин Д. Н., Щеглова Н. А, Нурмухаметов Р. И., Изв. АН СССР,
23, 37 (1959).
299. Щеглова Н. А., Шигорин Д. И., Докунихин Н. С., ЖФХ, 38, 1963 (1964).
300. Grajcar L., Leach S, J. Chim. Phys., 1523 (1964).
301. Parker C. A., Hatchard C. G., Webb B., unpublished work.
302. Leach S, Lopez-Delgado R., Grajcar L., J. Chim. Phys., 194 (1966).
303. Hatchard C. G., Parker C. A., Trans. Faraday Soc., 57, 1093 (1961).
304. Parker C. A., Rees W. T., Nature, 184, 1223 (1959).
305. Parker C. A, Rees W. T., J. Chim. Phys., 761 (1959).
306. Leach S, in «Luminescence of Organic and Inorganic Materials», ed. by
Kaliman H. P. and Spruch G. M, John Wiley and Sons, Inc., New York,
1962.
307. Parker C. A., Hatchard C. G., Photochem. Photobiol., 5, 699 (1966).
308. Steiner R. F., Edelhoch H., Chem. Rev., 62, 457 (1962).
309. Oster G, Nishijima У, Fortschr. Hochpolymer. Forsch., 3, 313 (1964).
310. Velick S. F., J. Biol. Chem., 233, 1455 (1958).
311. Lawrence D. J. B., Biochem. J., 51, 168 (1952).
312. Weber G., Trans. Faraday Soc., 44, 185 (1948).
313. Zanker V, Wittwer A., Z. Physik. Chem. (Frankfurt), 24, 183 (1960).
314. Weber G., Biochem. J, 75, 345 (1960).
315. Radley J. A., Grant J., Fluorescence Analysis in Ultraviolet Light, 4th
edition, Chapman and Hall Ltd., London, 1954.
316. Zscheile F. P., Protoplasma, 22, 513 (1935).
317. Zscheile F. P., Harris D. G., J. Phys. Chem, 47, 623 (1943).
ЛИТЕРАТУРА
493
318. Burdett R. A., Jones L. C., J. Opt Soc. Am., 37, 554 (1947).
319. Studer F. J., J. Opt. Soc. Am., 38, 467 (1948).
320. Priestley W., Anal. Chem,, 22, 509 (1950).
321. Derr A. J., J. Opt. Soc. Am., 41, 872 (1951).
322. Laner J. L., Rosenbaum E. J.t J. Opt. Soc. Am., 41, 450 (1951).
323. Bowen E. J., Photoelec. Spectrometry Group Bull., № 6, 124 (1953).
324. Huke F. B.y Heidel R. H„ Fasset R. H., J. Opt. Soc. Am., 43, 400 (1953).
325. McAnally J. S., Anal. Chem., 26, 1526 (1954).
326. Gornall A. G., Ralant H., Anal. Chem., 27, 474 (1955).
327. Parker C. A., Harvey L. G., Analyst, 87, 558 (1962).
328. Parker C. A., Harvey L. G., Analyst, 86, 54 (1961).
329. Williams R. 7., Bridges J. W„ J. Clin. Pathol., 17, 371 (1964).
330. Hagins W. A., Jennings W. H.t Discussions Faraday Soc., № 27, 180
(1959).
331. Williams R. T., J. Roy. Inst. Chem., 83, 611 (1959).
332. Rosen A., Williams R. T., Photoelec. Spectrometry Group Bull., № 13, 339
(1961).
333. Thommes G. A., Leininger E.t Taianta, 7, 181 (1961).
334. Sawicki E., Hauser T. R., Stanley T. W., Intern. J. Air Pollution, 2, 253
(1960).
335. Randa У., Shimada R., Hanada R., Rajigaeshi S., Spectrochim. Acta, 17,
268 (1961).
336. Muel B., Hubert-Habart M., J. Chim. Phys., 377 (1958).
337. Zander M., Angew. Chem., Intern. Ed. Engl., 4, 930 (1965).
338. Zander M., Erdoel, Kohle, Erdgas, Petrochemie, 15, 362 (1962).
339. Zander M., Chem. Ber., 97, 2695 (1964).
340. Zander M., Franke W. H., Chem. Ber., 98, 588 (1965).
341. Sauerland H. D.t Zander M., Erdoel, Kohle, Erdgas, Petrochemie, 19, 502
(1966).
342. Юденфренд С., Флуоресцентный анализ в биологии и медицине, «Мир»,
1964.
343. Teale F. W. J., Weber G., Biochem. J., 65, 476 (1956).
344. Waalkes T. P., U den friend S., J. Lab. Clin. Med., 50, 733 (1957).
345. Momose T., Ohkura У., Taianta, 3, 155 (1959).
346. Sawicki E., Elbert W., Stanley T. W., Hauser T. R.t Fox F. T., Anal. Chem.t
32, 810 (1960).
347. Sawicki E., Stanley T. W., Noe J., Anal. Chem., 32, 816 (1960).
348. Sawicki E., Johnson H., Anal. Chim. Acta, 34, 381 (1966).
349. Von Eisenbrand J., Deut. Lebensm. Rundschau, 58, 230, 319 (1962).
350. Von Eisenbrand J., Deut. Apotheker-Z., 103, 623 (1963).
351. Parker C. A., Barnes W. J., Analyst, 85, 3 (I960).
352. Armstrong W. A., Grant D. W7., Nature, 182, 747 (1958).
353. Reirs R. J., Britt R. D., Wentworth W. E.t Anal. Chem., 29, 202 (1957).
354. Freed S., Salmre W., Science, 128, 1341 (1958).
355. Holzbecher Z., Chem. Listy, 53, 713 (1959).
356. Winefordner J, D., Latz H. W., Anal. Chem., 35, 1517 (1963).
357. Winefordner J. D., Tin M., Anal. Chim. Acta, 31, 239 (1964).
358. Winefordner J. D., Tin M., Anal. Chim. Acta, 32, 64 (1965).
359. Winefordner J. D., Moye H. A., Anal. Chim. Acta, 32, 278 (1965).
360. Oster G., Geacintov N., Rhan A. U.t Nature, 196, 1089 (1962).
361. Drushel H. V., Sommers A. L., Anal. Chem., 36, 836 (1964).
362. Sawicki E., Stanley T. W., Chemist-Analyst, 49, 107 (I960).
363. Sawicki E., Johnson H., Microchem. J., 8, 85 (1964).
364. Bender D. F., Sawicki E., Wilson R. M.t Anal. Chem., 36, 1011 (1964).
365. Sawicki E., Elbert W. C., Stanley T. W., J. Chromatog., 17, 120 (1965).
366. Taketatsu 7., Carey M. A., Banks С. V., Taianta, 13, 1081 (1966).
367. Alberti G., Massucci M, A., Anal, Chem4 38, 214 (1966).
494
ЛИТЕРАТУРА
368. Leverenz Н. W., Luminescence of Solids, Chapman and Hall Ltd., London,
1950.
369. Garlick G. F. J., Luminescence, Handbuch der Physik, Vol. 26, Springer-
Verlag, Berlin, 1958.
370. Sill С. Г., Peterson H. E., Anal. Chem., 21, 1266 (1949).
371. Sill C. W„ Peterson H. E,, Anal. Chem., 19, 646 (1947).
372. Гудименко К. Ф., Белый М. У., Скачко М. А., Зав. лаб., 24, 1066 (1958).
373. Feigl F., Gentil V., Goldstein D., Anal. Chem. Acta, 9, 393 (1953).
374. White C. E., Anal. Chem., 21, 104 (1949); 22, 69 (1950); 24, 85 (1952);
26, 129 (1954); 28, 621 (1956); 30, 729 (1958); 32, 47R (1960). (With
Weissler A.), Anal. Chem., 34, 81 R (1962); 36, 116R (1964); 38, 155R
(1966).
375. Irving H., Butler E. J., Ring M. F., J. Chem. Soc., 1489 (1949).
376. Bhatnagar D, C., Forster E. S., Spectrochim. Acta, 21, 1803 (1965).
377. Collat J. W., Rogers L. B., Anal. Chem., 27, 961 (1955).
378. Rees W. T„ Analyst, 87, 202 (1962).
379. Kirkbright G. F., West T. S., Woodward C., Anal. Chem., 37, 137 (1965).
380. Holzbocher Z., Chem Listy, 47, 1023 (1953); 49, 1030 (1955).
381. Freeman D. C., White С. E., J. Am. Chem. Soc., 78, 2678 (1956).
382. Божеволънов E. А., Серебрякова Г. В., Оптика и спектр., 13, 390 (1962).
383. Dagnall R. М., Smith R., West Т. S., Taianta, 13, 609 (1966).
384. Коренман И. М., Ефимычев В. С., ЖАХ, 17, 426 (1962).
385. Kirkbright G. F., West Т. S., Woodward С., in Proc. SAC Conf., Notting-
ham, ed. by Shallis P. W., W. Heffer and Sons Ltd., Cambridge, 1965.
386. Job P., Ann. Chim. (Paris), 9, 113 (1928).
387. Yoe J. H., Jones A. L,, Ind. Eng. Chem., Anal. Ed., 16, 111 (1944).
388. Harvey A. E., Manning D. L., J. Am. Chem. Soc., 72, 4488 (1950); 74, 4744
(1952).
389. Weissman S, L, J. Chem. Phys., 10, 214 (1942).
390. Yuster P., Weissman S. I., J. Chem. Phys., 17, 1182 (1949).
391. Weissman S. I,, J. Chem. Phys., 18, 1258 (1950).
392. Crosby G. A., Whan R. E, Alire R. M., J. Chem. Phys., 34, 743 (1961).
393. Tomaschek R., Reichsber. Physik, 1, 139 (1944).
394. Whan R. E., Crosby G. A., J. Mol. Spectry., 8, 315 (1962).
395. Bhaumik M. L., Telk C. L., J. Opt. Soc. Am., 54, 1211 (1964).
396. El-Sayed M. A., Bhaumik M. L., J. Chem. Phys., 39, 2391 (1963).
397. Matovich E., Suzuki С. K-, J. Chem. Phys., 39, 1442 (1963).
398. Ballard R. E., Edwards J. W.t Spectrochim. Acta, 21, 1353 (1965).
399. Heller A., Wasserman E., J. Chem. Phys., 42, 949 (1965).
400. McCarthy W. J., Winefordner J. D., Anal. Chem., 38, 848 (1966).
401. Hanker J. S., Gamson R. M., Klapper H., Anal. Chem., 29, 879 (1957).
402. Parker C. A., Rees W. T., in «Trace Analysis of Semiconductor Materials»,
ed. by Cali J. P., Pergamon Press, Oxford, 1964.
403. White С. E., Weissler A., Busker D., Anal. Chem., 19, 802 (1947).
404. Parker C. A., Barnes W. J., Analyst, 85, 828 (1960).
405. Luke C. L., Flaschen S. S., Anal. Chem., 30, 1406 (1958).
406. Hoste J., Anal. Chim. Acta, 2, 402 (1948).
407. Hoste J., Gillis J., Anal. Chim. Acta, 12, 158 (1955).
408. Кононенко Л. И., Лауэр P. С., Полуектов Н. С., ЖАХ, 18, 1468 (1963).
409. Кононенко Л, И., Полуектов Н. С., Никонова М. Р., Зав. лаб., 30, 779
(1964).
410. Ballard R. Е., Edwards J. W., in «Proc. SAC Conf., Nottingham», ed. by
Shallis P. W. and Heffer W. and Sons Ltd., Cambridge, 1965.
411. Alberti G., Massucci M. A., Gazz. Chim. Ital., 95, 997, 1006 (1965).
412. Alberti G., Bruno R., Massucci M. A., Saini A., Gazz. Chim. Ital., 95, 1021
(1965).
413. Dagnall R. M.t Smith R.t West T. S.t Analyst, 92, 358 (1968).
ЛИТЕРАТУРА
495
414. Stanley Е. С., Kinneberg В. /, Varga L. Р., Anal. Chem., 38, 1362 (1966).
415. Kautsky H.t Hirsch A, Baumeister W., Chem. Ber., 64, 2053 (1931).
416. Franck J., Pringsheim P., J. Chem. Phys., 11, 21 (1943).
417. Kautsky H., Muller G. 0, Z. Naturforsch, 2A, 167 (1947).
418. Бабко А. К., Ходулина P, В., Укр. хим. жури., 17, 191 (1951).
419. Willard H. H.t Horton C. A, Anal. Chem, 24, 862 (1952).
420. Powell W. A, Saylor J. H.t Anal. Chem, 25, 960 (1953).
421. Chaikin S. W., Glassbrook C /, Research for Industry, 5, 2 (1953).
422. Hanker J. S, Gelberg A, Witten B., Anal Chem., 30, 93 (1958).
423. Назаренко В. А, Шустова M. В., Зав. лаб, 24, 1344 (1958).
424. Minns R. Е., Meeting on Analysis of Semiconductors, Society for Analyti-
cal Chemistry, London, 1960. See also Cali J. P., Trace Analysis of Semi-
conductor Materials, Pergamon Press, Oxford, London, 1964, p. 245.
425. Старик И. E., Старик Ф. Ф., Костырев Г. В., Труды института радия АН
СССР, 7, 111 (1956).
426. Bradley A, Sutton N. V, Anal. Chem, 31, 1554 (1959).
427. Hernegger F., Karlik B.t Sitz.-ber. Akad. Wiss. Wien, Math-Naturw. KL?
IIA, 144, 217 (1935).
428. Rodden C. J., Anal. Chem, 21, 327 (1949).
429. Феофилов П. П., Кузнецова Л. А, Инж.-физ. жури, 1, 46 (1958).
430. Oster G.t Trans. Faraday Soc, 47, 660 (1951); J. Polymer Sci, 16, 235
431. Oster^G., Beilin J. S, J. Am. Chem. Soc, 79, 294 (1957).
432. Wotherspoon N., Oster G.t J. Am. Chem. Soc, 79, 3992 (1957).
433. Zander M., Z. Anal. Chem, 226, 251 (1967); 227, 331 (1967).
434. Zander M., Z. Anal. Chem, 229, 352 (1967).
435. Weber G„ Nature, 190, 27 (1961).
436. Schachter M. M., Haenni E. O.t Anal. Chem, 36, 2045 (1964).
437. Olson R. A, Rev. Sci. Instr, 31, 844 (1960).
438. Loeser C. N., Rev. Sci. Instr, 37, 237 (1966).
439. Kepler R. G., Car is J. C.t Avakian P., Abramson E., Phys. Rev. Letters,
10, 400 (1963).
440. Теренин А, Кобышев Г., Лялин Г., Photochem. Photobiol, 5, 689 (1966).
441. Parker C. A, Chemistry in Britain, 2, 160 (1966).
442. Iwata S, Tanaka J., Nagakura S., in «The Triplet State», ed. by Zah-
lan A. B, Beirut Symposium, Cambridge University Press, Cambridge,
1967.
443. Birks J. B.t in «The Triplet State», ed. by Zahlan A. B, Beirut Symposium,
Cambridge University Press, Cambridge, 1967.
ДОПОЛНИТЕЛЬНАЯ ЛИТЕРАТУРА
Божевольнов Е. А., Люминесцентный анализ неорганических веществ, изд-во
«Химия», М., 1966.
Гуринович Г. П., Севченко А. И., Соловьев К. Н., Спектроскопия хлорофилла
и родственных соединений, изд-во «Наука и техника», Минск, 1968.
Л'ёвшин В. Л., Фотолюминесценция жидких и твердых веществ, Гостехиздат,
М.—Л., 1951.
Молекулярная фотоника, изд-во «Наука», Л., 1970.
Нурмухаметов Р. Н., Поглощение и люминесценция ароматических соедине-
ний, изд-во «Химия», М., 1971.
Степанов Б. И., Люминесценция сложных молекул, Изд-во АН БССР, Минск,
1955.
Столяров К. П., Григорьев Н. Н., Введение в люминесцентный анализ не-
органических веществ, изд-во «Химия», 1967.
Теренин А. И., Фотоника молекул красителей и родственных органических
соединений, изд-во «Наука», Л., 1967.
Турро Н., Молекулярная фотохимия, «Мир», М., 1967.
Феофилов 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, II, 1970; III,
1971; Wiley-Interscience, N. Y.
Becker P. S., Theory and Interpretation of Fluorescence and Phosphorescence,
Wiley-Interscience, N. Y., 1969.
Birks J. B., Photophysics of Aromatic Molecules, Interscience Publishers, N. Y.,
1970.
Cundall P. B., Gilbert A., Studies in Modern Chemistry: Photochemistry, Nelson,
London, 1970.
McGlynn S. P., Azumi T., Kinoshita S., Molecular Spectroscopy of the Triplet
State, Prentice-Hall, Englewood Cliffs, N. J., 1968.
Molecular Luminescence, Lim E. C. (ed.) W. A. Benjamin, N. Y., 1969.
Technique of Organic Chemistry, Leermakers P. A. and Weissberger A. (eds.),
Vol. XIV, Energy Transfer and Organic Photochemistry, Interscience Pub-
lishers, Inc., N. Y., 1969.
Wayne P. P., Photochemistry, Butterworths, London, 1970.
Zander M., Phosphorimetry: the Application of Phosphorescence to the Analysis
of Organic Compounds, Acad. Press, N. Y., 1968.
* Дополнение к списку общей литературы составлено Р. Ф. Василье-
вым. — Прим. ред.
ПРЕДМЕТНЫЙ УКАЗАТЕЛЬ
Абсорбционная спектроскопия, терми-
ны и обозначения 26
Азогетероциклические 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 неорганических фос-
форов 450
Актинометр
ферриоксалатный 199
химический 198
Акцептор
электроноакцепторные заместите-
ли 39
энергии, триплет 94, 433
Ализариновый гранатовый 474
Алкилгалогениды, поглощение света
37
Алюминий 453, 454, 462, 463, 474, 475
Аминоазобензолы, определение 447
Аминоакридин 375
Аминоантрахинон 363
Аминокислоты 435
Аминопирена сульфонат 313
Амины
алифатические, поглощение света
37
ароматические, рК* 323
Анабазин, определение 442
Анализ
классификация методов 380
эмпирические методы 437, 442
Анализ органических веществ, методы
418
адсорбция 447
внешнее влияние тяжелых атомов
477
замедленная флуоресценция 428
косвенные флуоресцентные мето-
ды 440
критерии чистоты 418
тушение 439
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 неорганических
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 альдегид 469
Аннигиляция триплет-триплетная 107,
108, 109, 111
Антантрен 339
Антистоксова флуоресценция 20, 403,
404
замедленная 122, 428 I
Антраниловая кислота 251
Антрахинон 266, 307, 363, 412, 441,
442
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
изоцианат 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 307
Ацетонафтон 307
Ацетофенон 94, 266, 307, 412, 459
498
ПРЕДМЕТНЫЙ УКАЗАТЕЛЬ
Белки 373, 376
Бензакридин, определение 447
Бензальдегид 94, 95, 307, 415, 440
Бензантрацен 30, 104, 124, 235, 251,
298, 299, 338—340, 354, 411, 433
определение 432
производные 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, 251, 298, 338, 339, 352,
363, 366, 371, 433, 445
анализ 425, 426
определение 421, 430, 431, 445
продукты фотохимической реак-
ции 445
Бензфлуорен 416, 417, 446
Бера — Ламберта закон 24
Бериллий 454, 462
Биолюминесценция 11
Биохимия и биология, флуоресцент-
ный анализ 435
Бор, определение 463
Борат-бензоиновый комплекс 396,452,
463—465
Борат-ион, определение 224, 395,
465
Бромбензол 289, 417
Бромбутан 274
Бромнафталин 308
Бромпирен 338
Бутирофенон 307
Вазелин, флуоресценция 437
Вакуумные системы 226, 227
Ванадий 462
Вератровый альдегид 469
Вероятность
переноса энергии от триплета к
синглету 115
--------к триплету 103, 108, 109
Витамин Ai 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
поглощение возбуждающего 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 ЭВМ при регистра-
ции 477
путем поглощения света 15
спектр, автоматическая регистра-
ция 234
— искажения 212, 216, 219
— исправление 232
— определение 29
— применение для идентифика-
ции 421
— триплет-синглетный 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, 335
ПРЕДМЕТНЫЙ УКАЗАТЕЛЬ
499
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 загрязнения, 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
— синглетного состояния 74, 286
— триплетного 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, 77,
256
Входная щель
освещение 141, 218
флуоресценция оптики 398
Вязкость растворителя 63, 76, 83, 104,
109, 274, 359, 372
Гадолиний 448, 449, 457, 458, 469
Галлий 453, 462, 467
Гексан 363, 401
Гексанол 363
Гексафенилэтан 53
Гептан 363
Германий 462
Гидразин 459
Глана — Томпсона призма 277
Глиоксаль 447
Глицерин 77, 91, 93, 100, 273, 373
Глюкоза, определение 436
Гольмий 448, 458
Гормоны 478
Гранит, анализ 468
Гунда правило 43
Двухфотонные реакции 54—56
Деполяризатор 279
Деполяризация
вращательная 63, 278, 282, 372
измерение 278
при вторичном испускании 282
при переносе энергии 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
Диметиламинонафталинфенилсульф-
амид 87
Диметиламинонитростильбен 415
Диметил антрацен 251, 298, 339, 343,
354
Диметилдитретбутилдиоксидифенил-
сульфид 444
Диметилнафтиламин 308, 315, 327
Диметилнафтиламмоний-ион 308
Диметоксибензофенон 470
Динафтацен 329
Диоксиазобензол 453, 454
Диоксиизонафталинсульфоновая кис-
лота 234
Дипентацен 329
Дипольный момент
влияние сольватации 355
возбужденной молекулы 24
наведенный 22
постоянный 22
Диспергирующий элемент 131
Дисперсия
линейная 132, 138, 139
угловая 132
500
ПРЕДМЕТНЫЙ УКАЗАТЕЛЬ
Диспрозий 448, 449, 458, 459, 470
определение 468, 469
Диссоциация, константы в основном
и возбужденном состояниях 317,
327
Диоенил 94, 266, 298, 339, 416, 439
Дифенилазотный 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
Дихлор антрацен 362
Дихлорбензофенон 307
Донор энергии, триплет 94, 428, 433
Европий 88, 448, 449, 457, 458, 459,
469, 470
бензоилацетонат 457
определение 468, 470
салициловый альдегид 457
трмс-дибензоилметид 88
хелаты 459
Е-Тип замедленной флуоресценции
время жизни 101
кинетика 98, 100
определение 49
связь с интеркомбинационной кон-
версией 303
сенсибилизованная 127
характеристики 126
эффективность 98
Железо 199, 448, 452, 454
Жидкий парафин, скорости тушения
78
Замедленная флуоресценция
аннигиляционная 108, 111
артефакты и тривиальные эффек-
ты 275
взаимная сенсибилизация 122,124
виды 47, 126
влияние вязкости 109, 361
Е-тип, см. Е-Тип замедленной
флуоресценции
квантовый выход 265
наблюдение при фотохимических
реакциях 272, 370
определение 47
применение для оценки чистоты
веществ 430
P-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
Излучение черного 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 регистрация 243
искажение 213, 216, 219
исправление 237
построение 27, 243
Источники света
измерение спектрального распре-
деления 154
кожух 178
предосторожности при работе 176
размеры 141, 159, 161, 175
ПРЕДМЕТНЫЙ УКАЗАТЕЛЬ
501
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
Каменноугольная смола, анализ 426,
427
Карбазол 94, 307, 367
определение 423, 428
Карбонильная группа
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 Е-
типа 98
----Р-типа 102, 104, ПО
---- сенсибилизованной 115, 122
протолитических процессов 312,
322, 324
процессов, контролируемых диф-
фузией 76, 108
— с участием возбужденных ди-
меров 331, 345, 350, 353
----синглетных 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
Коронен 308, 362
Коферменты, комплексы 374
Кошениль 474
Крезол 375
Кремний, анализ 463
Кристаллизация, влияние на полосы
испускания 420
Кристаллическая решетка раствори-
теля, взаимодействие с растворен-
ным веществом 362
Кристаллофосфбры неорганические
448, 450, 474
Критическое расстояние переноса
энергии 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
Люминесценция
долгоживущая 257, 268
определение 11
поляризация 58, 60
Лютеций 458
Магний 462, 474
Магния окись, отражательная способ-
ность 238
Малахитовый зеленый 416
Марганец 454
Медь 454, 475
Мезитилен 339
Металлоорганические соединения 451
Метастабильное состояние 49
Метилакридинийхлорид 252
Метилантрахинон 364
Метилантрацен 251, 289, 298, 339
Метилбензантрацен 354
Метилнафталин 94, 308, 338, 424
Метилнафтиламин 315
Метилпирен 338
Метилциклогексан 274
5С2
ПРЕДМЕТНЫЙ УКАЗАТЕЛЬ
Метоксиантрахинон 364 Метоксибензойная кислота 325 Метоксинафталин 251, 293, 298, 417 Михлера кетон см. Тетраметилдиами- нобензофенон Модуляция возбуждающего света 254 Молекулы гибкие и жесткие 361 Молярный объем 372 Монохроматоры 131 Морин 474 Моча, анализ 442 Мультиплетность 42 Норникотин, определение 442 Норэпинефрин, определение 435 Озон, фотохимическое образование 168, 177 Оксибензальдегид 94 Оксибензойная кислота 415 Оксинафтальгидразон 447 Оксинафтойная кислота 454 Оксипирен 357 Оксипиренсульфонат 313, 317 Оксипиридин 413
Насыщенные соединения, поглощение света 37 Нафталин 94, 105, 123 251, 266, 293, 298, 306, 307, 339, 348—350, 410, 412, 432, 433, 441 производные 339 Нафталиндиол 317 Нафтальдегид 307 Нафтацен 118, 119, 122, 216, 308, 339, 370, 410 Нафтеценхинон 307 Нафтиламин 251, 308, 313, 317, 327, 415 Нафтиламинсульфонат 313 Нафтиламмоний-ион 308 Нафтилфенилкетон 307 Нафтоат-ион 308 Нафтойная кислота 308, 317, 324, 327 Нафтол 308, 314, 315, 317, 323, 327, 357 Нафтолсульфонат 317 Нафтолят-ион 308, 415 Нафтофлавон 307 Неметаллы 459 Неодим 214, 215, 458 Неорганические 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 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 Органические 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 0-0 19, 22, 23, 356 разрешенные 34, 168 скорости 72 электронные, типы 35, 36 а * — а 37
ПРЕДМЕТНЫЙ УКАЗАТЕЛЬ
503
а * — п 37, 39
л*- п 38, 39, 40, 44, 357, 359,
408, 412, 451, 455
л*-л 37, 38, 40, 43, 357, 359,
408, 412, 453, 455
энергия 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, 339, 345—347, 350, 352,354,
360—366, 433
альдегид 357, 413
анализ 426, 433, 434
испускание паров 51
определение 430, 432, 440
производные 339
сульфонат 338
Пиридин 37, 38, 324, 411
Пировиноградный альдегид 447
Пиррол 37, 38
Планка закон 163
Платина 475
Поглощательная способность, опре-
деление 26
Поглощение света
время 20, 73
закон 24, 25
скорость 267
условия 16
Поглощения спектр
интегрирование 31, 32, 34
метод построения 18, 26
определение 26
примеры 18, 30, 48, 81, 342
Поливинилпиридин-н-бутилбромид
371
Полимерные материалы как раство-
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
применение 372
связь с переносом энергии 375
спектр 61, 62, 281, 375
степень 58, 280
Поляризованный свет 56
испускание 59, 60
поглощение 57, 60
получение 277
Поляризующая пленка 278
Полярископ 279
Порфирины 435
Потенциальная энергия, диаграмма
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
Пропиленгликоль, очистка 273
Пропиофенон 307
Профлавин 124, 125, 251, 298, 303, 305,
309, 371, 432, 433
pH, влияние на флуоресценцию 313,
318
рК основного и возбужденного со-
стояний 313, 316, 317, 323, 327
P-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 ве-
ществ 271, 418, 430
описание 101
определение 53
отклонения от квадратичного за-
кона ПО, 114
при триплет-синглетном поглоще-
нии 311
характеристики 126
Равновесие протолитическое
в синглетном 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 других веществ 392.
393, 401
504
ПРЕДМЕТНЫЙ УКАЗАТЕЛЬ
источник фона 392, 394, 464
применение для проверки чувстви-
тельности прибора 386, 387
растворителей 69—71, 392
циклогексана, проявление в спек-
трах испускания других ве-
ществ 394, 397, 399
этанола, проявление в спектрах
испускания других веществ
395, 396, 400
Рассеянный свет
виды 64
вклад 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
высокого давления 171
низкого давл.ения 158, 167
предосторожности при работе
176
сверхвысокого давления 158, 160,
161
среднего давления 159, 169
Ртутные линии, выделение 168, 181
Ртуть, определение 475
Рурин, анализ 475
Рубрен 251
Рутений 462
Салицилиденаминофенол 453, 454
Салициловая кислота 325, 468
определение 439
Салициловый альдегид 447, 454
семикарбазол 453, 454
гидразон 447
Самарий 448—450, 458, 459, 469
определение 468, 469
Самопоглощение 214, 216, 217, 219,
248
Свет
испускание, спонтанное и вынуж-
денное 35
интенсивность, измерение 185,
189, 191, 194, 198
— модуляция 254
— регулирование 195
инфракрасный, возбуждение 56
поглощения 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
Сенсибилизованная фосфоресценция
94, 126
Сера, определение 460
Серебро 475
Сила осциллятора 34
Синглетное состояние
влияние тяжелых атомов 288, 289,
355, 417, 477
время жизни 43, 73, 74, 253
определение 42
скорости перехода 72,/286
типы 36, 411
энергия 94, 298
рК 317, 327
Скандий 455
Смазочное масло, определение 439,
443
ПРЕДМЕТНЫЙ УКАЗАТЕЛЬ
505
Смолуховского уравнение 77
Сольватация 22, 23, 355
Сонолюминесценция 11
Спектральное распределение
для 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, поглощение
света 37
Стильбен 419
Стокса закон 19
Стокса — Эйнштейна уравнение 78
Стоксов сдвиг 325, 419
Сульфат, определение 460, 474
Сульфид, определение 460, 474
Сульфит, определение 460
Сульфосалициловая кислота, опреде-
ление 468
Счетчик квантов 194, Г95
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
Термолюминесценция 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, 460
Тиохром 474
Тиоцианат 474
Тирозин 375, 376
определение 435
Толуидин 54
Толуиловый альдегид 469
Толуол 251, 308, 339, 416, 417
Торий 462, 474
Триацетилбензол 307
Триболюминесценция 11
Тривиальные эффекты 84, 125, 275
Тригидрометилхинолина полимер, оп-
ределение 444
Триоксииндола реакции 435
Триплетное состояние
бимолекулярное тушение 297
заселение 46
интеркомбинационная конверсия
297, 303
определение 42
параметры 297
поглощение 54, 56
реакции 297, 370
скорость исчезновения 297
тушение основным состоянием 297
— примесями 98, 271, 360
— соединениями, содержащими
тяжелые атомы 288, 290
энергия 94, 298, 306—308, 433
Триплетов время жизни
влияние примесей 298, 301, 302
— растворителя 302
зависимость от вязкости 300,
359
значения 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-синглетное
поглощение 310, 478
расщепление 100, 410
Триплет-триплетное взаимодействие
53, 102, 107—109, 114, 116, 117, 123,
345, 351, 370
Триплеты акцепторов и доноров энер-
гии 94, 433
Триптофан 376, 435
Трифениламин 307
Трифенилен 251, 266, 293, 298, 307,
362, 411
определение 427, 428
Трифенил метил фенилкетон 307
Трифенилметильный радикал 53, 370
Трифенилпентан 343
Тулий 458
Тушение люминесценции
кислородом 44, 224, 360, 440, 444,
465
606
ПРЕДМЕТНЫЙ УКАЗАТЕЛЬ
метод изучения фотохимических
реакций 368
определение кислорода 471
отличие от эффекта внутреннего
фильтра 210
примесями 271, 360
расчет приближенный 79, 98
Штерна — Фольмера константа
75
Тяжелые атомы, влияние 289, 355, 417,
477
Углерод четыреххлористый 71, 216
Уксусный ангидрид 459, 468, 470
Умбеллоферонкарбоновая кислота 436
Уран 450, 475
определение 461, 475
Фармакологический 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 5i
определение 420, 428
Фенантролин 199, 468
Фенилаланин 375, 435
Фенилантрахинон 364
Фенилантрацен 252, 289, 298
Ф енилглиоксаль 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
Фенотиазин, определение 447
Ферриоксалат калия, химический ак-
тинометр 199
Фильтры 178
для избавления от рассеянного
света 398
кривые пропускания 179, 180, 464
для отсечения рамановских полос
395, 464
для регистрации флуоресценции
148
для флуориметрии 183, 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
антистоксов а 20, 403, 404
быстрая 48, 126
вращательная деполяризация 63
время жизни 72, 74, 253, 286,
374
зависимость от вязкости 361
— от pH 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
--------гибких 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
самопоглощение 214, 216, 217,219,
248
связь со структурой молекул 37—
39, 358, 408, 448
сенсибилизованная 85
спектр возбуждения, автоматиче-
ская регистрация 234, 235
----- аппаратура 128
----- исправление 232, 233
— — определение 29
ПРЕДМЕТНЫЙ УКАЗАТЕЛЬ
507
спектр возбуждения, примеры 30,
,212, 213, 233, 236, 422
---связь со спектром погло-
щения 30
спектры испускания, автоматиче-
ская регистрация 243, 244
---аппаратура для регистра-
ции 128
---зеркальное отражение спек-
тра поглощения 18, 19, 48
---- исправление 237, 240
----построение 18, 27, 243
стандартных веществ 250
тушение из-за образования комп-
лексов 76
— из-за переноса энергии 87, 288
----химической реакции 288
— кислородом 471
— применение как метода анали-
за 439, 448, 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
Флуориметр 128
Флуорограф 477
Флуорометр 128, 254
Флуорофотометр 128
Фон, причины
антистоксова флуоресценция 404
влияние расположения образца
221
люминесценция кюветы 397
многокомпонентность 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
а-Фосфоресценция 50, 51
р-Фосфоресценция 50, 51
Фосфориметр 129, 257, 260
Фосфоры неорганические 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 альдегид 437, 459
Фтора ион, определение 474
Фторнафталин 308, 338
Хелаты 451, 453, 455, 459, 468
Хемилюминесценция И, 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
определение 425, 427
Хром 452—454, 457, 475
Хроматограмма 226, 447
Цветовая температура 165
Церезин 437
Церий 451, 461
Цианбензофенон 307
Цианид, определение 460, 474
Цианпирен 338
Циклогексан
константы скорости, контролируе-
мые диффузией 77
кристаллические формы 367
рамановские полосы 71
чистота 273, 400
Циклогександион, 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
ограничение из-за фона 384, 390
показатель 388, 389, 467
прибора 383, 384, 386, 387
спектральная 99, 157, 237, 241,
242, 265
фотолюминесцентного анализа
380, 383
Шпольского спектры 138, 150, 364—
366, 445
Шпольского эффект 361
Штерна — Фольмера уравнение 75
Шума уровень 207, 270, 391
Эйнштейн, единица измерения 12
Эйнштейна формула 35
Эксимер, определение 52, 53
Эксимеры см. Возбужденные димеры
Эксиплекс 341
Экспериментальные методы 128
Экстинкция, коэффициент 25, 26
Электролюминесценция 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 группы 39
л-Электронов сопряжение 409
Электронодонорные группы 39
Электрон сольватированный 54
Электрохемилюминесценция 344, 354
Энергия, диаграмма уровней 16, 43
Энергия
единицы 13
молекул 16
перенос внутримолекулярный 87,
455
— деполяризация при 64, 85, 375
— к ионам металлов 459
— от синглета к санглету 85, 87,
256, 288
— от триплета к синглету 94, 96,
97
— от триплета к триплету 101,
103, 105, 108, 116, 304, 351
— по механизму дальнодействия
64, 85, 105, 108, 351, 375
уровни кислой и основной форм
316
— уравнение 15
Энтальпия 326, 328, 336, 338
Энтропия 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
Эскулин 195
Этанол 71, 77, 273, 274, 373, 400
Этилбензол 416
Этилен 37
Этилендиаминтетрауксусная кислотна
(ЭДТК) 468
Этиловый эфир 274
Этилпирен 366
Этилфенилглиоксалат 307
Эфиры 37
Яблонского диаграмма уровней 43, 49
Яблочная кислота, определение 436
СОДЕРЖАНИЕ
Предисловие ........................................................5
Из предисловия автора...............................................8
Глава I. Основные принципы и определения...........................11
А. Люминесценция и фотохимия.................................11
Б. Флуоресценция .............................................17
В. Фосфоресценция и замедленная флуоресценция................42
Г. Поляризация фотолюминесценции..............................56
Д. Рассеяние света ...........................................64
Глава II. Кинетика фотолюминесценции...............................72
А. Скорости переходов........................................72
Б. Флуоресценция .............................................74
В. Кинетика фосфоресценции...................................88
Г. Кинетика замедленной флуоресценции.........................98
Д. Сводка типов фотолюминесценции............................125
Глава III. Аппаратура и методы эксперимента.......................128
А. Общие замечания.........................................128
Б. Монохроматоры .......................................131
В. Источники света . '....................................154
Г. Фильтры ..................................................178
Д. Детектирование* и измерение света физическими методами . . 185
Е. Химические методы измерения света........................198
Ж. Усиление и регистрация сигнала фотоумножителя.............205
3. Факторы, определяющие выбор геометрического расположения
образца......................................................210
И. Кюветные отделения и кюветы для образцов................222
К. Исправление спектров .................................232
Л. Измерение квантового выхода флуоресценции...............246
М. Измерение времени жизни флуоресценции...................253
Н. Измерение долгоживущей люминесценции....................257
О. Измерение поляризации люминесценции.....................276
Глава IV. Специальные вопросы и применение.....................286
А. Определение параметров низшего возбужденного синглетного
состояния ...................................................286
Б. Параметры триплетного состояния.........................297
В. Химическое равновесие в возбужденном состоянии..........312
Г. Возбужденные димеры и быстрая флуоресценция............327
Д. Возбужденные димеры и замедленная флуоресценция .... 345
Е. Влияние растворителя......................................354
510
СОДЕРЖАНИЕ
Ж. Измерения фотолюминесценции при изучении необратимых фото-
химических реакций.......................................367
3. Применение поляризационных измерений.......................372
Глава V. Применение в аналитической химии...........................377
А. Общие замечания......................................1 . . 377
Б. Чувствительность .....................................1 . . 383
В. Факторы, способствующие появлению люминесцентного фона . 392
Г. Связь люминесценции органических соединений с молекулярной,
структурой........................•......................408
Д. Анализ органических веществ.................................418
Е. Связь люминесценции неорганических и элементоорганических
соединений со структурой.................................448
Ж. Анализ элементов и неорганических соединений................461
3. Дальнейшие перспективы......................................476
Обозначения ..................................................... . 479
Общая литература..............................................j, . . 485
Литература..........................................................486
Дополнительная литература ......................................... 496
Предметный указатель................................................497
УВАЖАЕМЫЙ .ЧИТАТЕЛЬ!
Ваши замечания о содержании книги, ее оформ-
лении, качестве перевода и другие просим присы-
лать по адресу: 129820, Москва, И-ПО, ГСП, 1-й Риж-
ский пер., 2. Издательство «Мир».
С. ПАРКЕР
Фотолюминесценция растворов
Редактор И. В. Алексеева
Художник Н. Я. Вовк
Художественный редактор Я. Г. Блинов
Технический редактор Н, Д. Толстякова
Сдано в набор 13/Х 1971 г. Подписано к печати 25/11 1972 г.
Бумага тип. № 2 60Х901/1в=16,0 бум. л. Усл. печ. л. 32
Уч.-изд. л. 31,57. Изд. № 3/5957. Цена 3 р. 37 к.
Зак. № 1281
ИЗДАТЕЛЬСТВО «МИР»
Москва, 1-й Рижский пер., 2
Ордена Трудового Красного Знамени
Ленинградская типография № 2
имени Евгении Соколовой Главполиграфпрома
Комитета по печати при Совете Министров СССР
Измайловский проспект, 29