Тушение люминесценции

 

Интенсивность люминесценции и концентрация люминофора

Если интенсивность люминесценции характеризовать числом квантов, испускаемых люминофором в единице объема в единицу времени, то в соответствии с основным законом поглощения и определением квантового выхода люминесценции зависимость интенсивности люминесценции I от концентрации люминофора С в растворе выражается уравнением

I = j_K / I₀(1-T) = j_K / I₀(1-10^-klC)

где j_K — квантовый выход; I₀ — мощность возбуждающего излучения (число возбуждающих квантов, действующих на единицу объема раствора люминофора в единицу времени); T — пропускание люминофора при длине волны возбуждающего излучения; k — коэффициент поглощения люминофора при длине возбуждающего излучения; l — толщина слоя раствора.

Если доля поглощенного люминофором возбуждающего излучения мала (klС << 0,05), формула упрощается:

I = 2.303j_K I₀klC

Таким образом, интенсивность люминесценции пропорциональна квантовому выходу люминесценции, мощности возбуждающего излучения, коэффициенту поглощения и концентрации люминофора. Формула лежит в основе количественного люминесцентного анализа. Зависимость интенсивности люминесценции от концентрации люминофора часто сохраняет линейный характер в пределах трех-четырех порядков концентрации. Отклонения от линейности вызваны рядом причин: невыполнением соотношения klС < 0,05; явлением концентрационного тушения, ограничивающим верхний диапазон линейности концентрация на уровне ~10⁻⁴ моль/л; эффектом внутреннего фильтра; эффектом самопоглощения (реабсорбции).

Эффект внутреннего фильтра связан с поглощением части возбуждающего излучения при прохождении через слой люминофора. Это вызывает снижение интенсивности люминесценции. Под самопоглощением понимают поглощение люминофором части люминесцентного излучения. Это явление характерно для любых методов анализа, основанных на испускании фотонов. С ним мы уже сталкивались при рассмотрении атомноэмиссионной спектроскопии. Самопоглощение минимально для слабопоглощающих растворов, а также если возбуждение люминесценции проводят при длине волны, соответствующей максимуму поглощения люминофора.

Тушение люминесценции

Выход люминесценции зависит от концентрации люминофора в растворе, температуры, наличия посторонних веществ. Уменьшение выхода люминесценции под влиянием этих факторов называют тушением люминесценции.

Концентрационное тушение. В практике люминесцентного анализа прежде всего следует учитывать влияние концентрации люминофора, так как при больших концентрациях наблюдается эффект концентрационного тушения. Указанный эффект начинает проявляться с некоторой пороговой» концентрации С₀, при этом имеет место экспоненциальная зависимость выхода люминесценции от концентрации:

j = j₀ e^{-u(C - Co)}

 где j₀ — выход люминесценции при бесконечном разбавлении; u — константа.

«Пороговая» концентрация С₀ и константа u специфичны для различных веществ. При С = С₀ имеем j = j₀ = const. Эффект концентрационного тушения обратим: при разбавлении концентрированных растворов выход люминесценции вновь достигает максимального значения, указывая на отсутствие сложных физико-химических превращений молекул люминофоров.

Уменьшение выхода люминесценции с увеличением концентрации люминофора вызвано, с одной стороны, ассоциацией молекул люминофора с образованием нелюминесцирующих агрегатов различного состава (механизм молекулярной ассоциации), а с другой — миграцией энергии от возбужденных молекул к невозбужденным (механизм миграции энергии).

Температурное тушение. Повышение температуры вызывает уменьшение выхода флуоресценции и фосфоресценции. Это связано с тем, что безызлучательная дезактивация электронно-возбужденных состояний осуществляется преимущественно при соударениях излучающих молекул, а частота таких соударений в растворах прямо пропорциональна температуре. Охлаждение, наоборот, увеличивает выход флуоресценции и фосфоресценции. В области температуры 20 °С выход флуоресценции обычно возрастает на несколько процентов при уменьшении температуры на 1 °С. Увеличение выхода флуоресценции по мере охлаждения раствора наблюдается до того момента, когда температура и вязкость раствора становятся благоприятными для испускания квантов фосфоресценции. При дальнейшем охлаждении раствора выход флуоресценции остается постоянным, а выход фосфоресценции возрастает до тех пор, пока сумма выходов не приблизится к единице.

Тушение посторонними веществами. Выход люминесценции может уменьшаться в присутствии посторонних веществ, называемых тушителями. К наиболее активным тушителям люминесценции относятся: тяжелые анионы и катионы (I⁻, Br⁻, Cs⁺, Cu²⁺ и др.); парамагнитные ионы и молекулы (Mn²⁺, O₂ и др.); молекулы растворителя. Взаимодействие тушителя с люминофором по своей природе может иметь либо химический (статическое тушение), либо физический (динамическое тушение) характер.

Статическое тушение обусловлено образованием нелюминесцирующего продукта взаимодействия люминофора с тушителем. В качестве примера можно привести тушение флуоресценции 2-(o-оксифенил)-бензоксазола ионами Cu²⁺ , вызванное образованием нефлуоресцирующего бис-комплекса.

Частным случаем статического тушения является концентрационное тушение, связанное с образованием нелюминесцирующих димеров и более крупных агрегатов молекул люминофора.

Динамическое тушение происходит, когда взаимодействие люминофора и тушителя имеет физический характер, а тушение люминесценции осуществляется за счет передачи энергии от электронно-возбужденных молекул люминофора к частицам тушителя.

Как для статического, так и для динамического тушения степень тушения люминесценции выражается уравнением

j/j_Q = 1 + K[Q]

где j, j_Q — выход люминесценции в отсутствие и в присутствии тушителя соответственно; K — константа тушения; [Q] — концентрация тушителя.

В случае статического тушения константа K равна константе устойчивости β нелюминесцирующего комплекса, а в случае динамического тушения она определяется константами скоростей различных процессов дезактивации электронно-возбужденного состояния молекул люминофора. Если в присутствии тушителя поглощение люминофора не изменяется или изменяется незначительно, формулу можно представить в виде

I/I_Q = 1 + K[Q]

где I, I_Q — интенсивность люминесценции соответственно в отсутствие и в присутствии тушителя.