Люминесцентный метод анализа

Люминесценция — излучение, представляющее собой избыток над тепловым излучением тела и продолжающееся в течение времени, значительно превышающего период световых колебаний. Первая часть определения отделяет люминесценцию от теплового равновесного излучения и показывает, что понятие «люминесценция» применимо только к совокупности атомов и молекул, находящихся в состоянии, близком к равновесному. Вторая часть определения была введена С. И. Вавиловым (советский физик, президент Академии наук СССР, 1891 — 1951), чтобы отделить люминесценцию от различных видов рассеяния и отражения света, параметрического преобразования света, тормозного излучения и излучения Черенкова — Вавилова (П. А. Черенков — советский физик, 1904—1990).

Люминесценция ослабевает при повышении температуры и характеризуется испусканием квантов, отличающихся по энергии от ранее поглощенных.

По виду возбуждения различают фотолюминесценцию (возбуждение светом), радиолюминесценцию (возбуждение проникающей радиацией), к ней, в частности, относят рентгено-, катодо-, ионои а-люминесценцию, электролюминесценцию (возбуждение электрическим полем), триболюминесценцию (возбуждение при механических воздействиях), хемилюминесценцию, которая возникает при химических реакциях, и др.

Причиной всех люминесцентных явлений является перевод частиц люминесцирующего вещества в возбужденное состояние. Этот перевод осуществляется за счет энергии, доставляемой источником, вызывающим появление люминесценции. Переход возбужденного центра люминесценции в нормальное или менее возбужденное сопровождается испусканием света. Это и есть люминесцентное свечение вещества.

Обычно в возбужденном состоянии частицы вещества находятся в течение 10^-8 с. Такая длительность возбужденного состояния характерна для люминесценции, называемой флуоресценцией. Она наблюдается при облучении светом некоторых жидкостей и газов.

Иногда возбужденное состояние центров люминесценции сохраняется достаточно долго: от 10^-4 с до нескольких минут. Такое люминесцентное свечение называется фосфоресценцией.

Фотолюминесценция, как правило, возбуждается ультрафиолетовым или близкими к нему участками спектров электромагнитных волн. Дж. Стокс (J. G. Stokes — английский физик и математик, 1819—1903) установил, что вещество испускает, как правило, свет, имеющий большую длину волны, чем свет, который вызывает явление фотолюминесценции.

При количественном и качественном люминесцентном анализе чаще всего регистрируют самостоятельное свечение вещества.

Качественный химический люминесцентный анализ позволяет обнаруживать и идентифицировать некоторые вещества в смесях.

В сортовом анализе по характеру свечения вещества различают предметы, кажущиеся одинаковыми. Его применяют при диагностике заболеваний, определении пораженное™ семян и растений болезнями, для измерения содержания органических веществ в почве и т. п. Из всех видов люминесценции для анализа чаще используют фотолюминесценцию.

При малых концентрациях С наблюдается прямолинейная зависимость интенсивности флуоресценции от концентрации где /₍|_)л — интенсивность флуоресценции; k — коэффициент пропорциональности.

Для измерения флуоресценции используют спектрофлуориметры и флуориметры, для измерения фосфоресценции — фосфориметры.

При измерении люминесценции источник возбуждения, кювету с исследуемым раствором и детектор располагают в зависимости от способа измерения излучения: под прямым углом к падающему свету (рис. 6.16, а), под небольшим углом к падающему свету (фронтальное освещение, рис. 6.16, б), без изменения направления (рис. 6.16, в).

Рис. 6.16. Способы наблюдения люминесценции:

а — способ перпендикулярных пучков; б — фронтальный способ; в — без изменения направления; 1 — источник; 2 — первичный светофильтр; 3 — кювета с пробой;

4 — вторичный светофильтр; 5 — фотоприемник Обычно в конструкциях флуориметров используют первый способ. В этом случае на фотоприемник попадает меньшая доля постороннего излучения от источника возбуждения. Во флуориметре свет попадает на первичный светофильтр, пропускающий излучение с длинами волн возбуждения, и далее на кювету с исследуемым раствором. Испускаемое люминесцентное излучение попадает на вторичный светофильтр, пропускающий люминесцентное излучение и задерживающий возбуждающее и рассеянное излучения.

Люминесценция — один из самых чувствительных методов анализа — применяется для определения следовых количеств элементов. В отличие от спектрофотометрии, где измеряют разность двух сигналов (7₀ и 1), в люминесценции измеряют сам сигнал и предел обнаружения зависит от интенсивности источника и чувствительности детектора. Метод люминесценции позволяет определять 10^-10—10^-4 мкг-мл^-1 вещества.

Схема флуоресцентного газоанализатора, реализующая способ перпендикулярных пучков (рис. 6.16, а), показана на рис. 6.17.

Рис. 6.17. Структурная схема флуоресцентного газоанализатора:

• 1 — источник света; 2 — первичная оптическая схема; 3 — интерференционный световой фильтр; 4 — флуоресцентная камера; 5 — светофильтр; 6 — фотоприемник;
• 7 — усилитель электрического сигнала; 8 — вторичный прибор

Излучение от источника 1 с помощью оптической системы 2 фокусируется в флуоресцентной камере 4. Интерференционный фильтр 3 служит для выделения спектральной области возбуждения флуоресценции. Через камеру 4 прокачивают анализируемый воздух.

Хемилюминесценция — люминесценция, сопровождающая химические реакции. Излучение испускается продуктами реакции или другими компонентами, возбуждаемыми в результате переноса энергии к ним от продуктов реакции. Частный случай хемилюминесценции — биолюминесценция (свечение гниющего дерева, некоторых насекомых и морских животных). Эффективность биолюминесценции некоторых светляков приближается к 100%. Для возбуждения хемилюминесценции в видимой области спектра требуется более 160 кДж/моль энергии. Яркость хемилюминесценции пропорциональна скорости реакции и эффективности хемилюминесценции (числу квантов хемилюминесценции на один акт реакции).

Низкая интенсивность собственно хемилюминесценции оказалась главным препятствием на пути к ее широкому использованию в аналитических целях. Значительное распространение получило измерение хемилюминесценции в присутствии определенных соединений, которые в отечественной литературе называют активаторами, а за рубежом — усилителями хемилюминесценции. По механизму действия активаторы разделяют на две группы — физические и химические.

В хемилюминесцентном методе анализе нет необходимости в применении источников возбуждения, поэтому аппаратура метода более простая по сравнению с той, которую используют в люминесцентном анализе.

Преимуществом хемилюминесцентного метода анализа являются низкие пределы обнаружения 10^-10— 10^-4 г/мл при объеме кюветы 2—5 мл, достаточная точность определения, экспрессность, простота аппаратуры. Недостатком является малая селективность реакций, однако варьирование условий определения и применение маскирующих агентов часто позволяют устранить этот недостаток.

С помощью хемилюминесценции определяют содержание перекиси водорода, спиртов, производных анилина, некоторых отравляющих веществ, глюкозу, некоторые металлы, а также окислы азота и серы в воздухе.

Фосфоресценция — люминесценция, продолжающаяся значительное время после прекращения возбуждения (в отличие от флуоресценции).

Фосфоресценция может продолжаться от нескольких микросекунд до нескольких часов и даже суток.

Яркость фосфоресценции органических молекул обычно уменьшается со временем по экспоненциальному закону. Закон затухания яркости люминесценции кристаллофосфоров сложен, в некоторых случаях он приближенно описывается формулой Беккереля.

где В₀ — начальная яркость; t — время; а и, а — постоянные.

Задачи

6.3.1. При фотометрировании пламени для Na получили следующие данные:

lgC-4,5 -4,0 -3,5 -3,0 -2,5 -2,0 -1,5 -1,0 -0,5.

gl -3,0 -2,5 -2,0 -1,5 -1,3 -1,0 -0,7 -0,4 -0,2.

В какой области интенсивность спектральных линий / пропорциональна концентрации С и в какой пропорциональна >/с?

Ответ: до С- 0,001 и после С = 0,01.

6.3.2. При фотометрировании пламени при определении натрия в растворе получили следующие данные:

С, мкг/мл х 10 20.

данные вторичного прибора 35,5 20,5 39,5.

Рассчитайте концентрацию х исследуемого раствора.

Решение

6.3.3. Рассчитайте концентрацию элемента в растворе при спектральном анализе, но следующим данным:

Решение _л лг

гг. .г+ 0,05.

Поскольку концентрация достаточно мала, то / = к С. В этом случае — =.

*.

* + 0,10.

= 1,62, откуда * = 0,081. Или-= 2,22, откуда * = 0,082.

х

6.3.4. При определении калия фотометрированием пламени методом добавок были получены следующие данные:

С, мкг/мл * *+10 * + 20.

данные вторичного прибора 17,0 26,0 35,0.

Определите концентрацию калия в исследуемом растворе.

Ответ: 17,2 мкг/мл.

• 6.3.5. Рассчитайте процентное содержание марганца в стали по следующим данным сравнения линии марганца (X = 293,911 нм) и железа (294,440 нм):
• 5_Мп* 0,59 0,74 1,43 *
• 5_Мп 0,896 1,020 1,349 1,105

S_Fe 0,764 0,748 0,763 0,760.

Ответ: данную задачу лучше решить графически построением графика Д5_Мп =.

= $мп-^.=/<180. *=0,88.

6.3.6. При люминесцентном определении концентрации А1³⁺ в дистиллированной воде взято 5 мл этой воды, добавлены сульфосалицилаль-о-амидофенол и вода до объема 10 мл. В аналогичных условиях приготовили растворы известной концентрации алюминия. При измерении интенсивности люминесценции растворов получены следующие результаты:

С, мкг А1/10 мл 0,04 0,05 0,08 *.

интенсивность люминесценции 11 17 23 19.

Определите концентрацию алюминия в воде.

При концентрации до 2 мкг/100 мл в плаве интенсивность света холостого опыта составляет 0,0001—0,02 мкг на 1 г фторида натрия, поэтому в данной задаче ее можно не учитывать.

Ответ: 3,8 мкг/мл.

6.3.7. Вычислите содержание алюминия в соляной кислоте (плотность 1,18) по данным его определения с салицилаль-о-аминофенолом.

На 5 мл анализируемой кислоты (после выпаривания в кислотном буфере) приготовили три раствора:

• а) без добавления А1³⁺;
• б) с добавлением 0,03 мкг А1³⁺;
• в) с добавлением 0,05 мкг А1³⁺.

К этим растворам, а также к холостому раствору добавили одинаковое количество салицилаль-о-аминофенола. При измерении люминесценции получили следующие результаты:

количество А1³⁺, мкг 0 * * + 0,03 * + 0,05.

интенсивность люминесценции 2 10 16 20.

Ответ: 2,0−10−6%.

6.3.8. При определении в сплаве никеля фотометрическим методом взяли навеску весом 0,1248 г, после соответствующей обработки ее растворили в мерной колбе емкостью 100 мл, затем 10 мл полученного раствора растворили в мерной колбе вместимостью 200 мл. Оптическая плотность соответствовала по калибровочной кривой 0,3 г никеля. Рассчитайте процентное содержание никеля в анализируемом сплаве.

Ответ: 0,26%.

6.3.9. В процессе выделения робенитина (ЗДД'Д'Д'-пентаоксифлавона) из растений получили пять этанольных растворов неизвестной концентрации. Оптические плотности растворов на шести длинах волн в кювете с длиной 1,00 см приведены в таблице.

Содержат ли растения одно и то же вещество?

Ответ: все растворы, кроме второго, содержат одно вещество.

6.3.10. Коэффициент пропускания растворов брома в тетрахлориде углерода при X = 436 нм в кювете длиной 2,00 см составил:

С, мг/мл 0,032 0,101 0,190 0,320 0,532 0,829.

Т,% 84,0 57,0 34,5 16,5 5,0 1,0.

Определите: а) подчиняются ли растворы основному закону светоноглощения;

б) величину пропускания раствора брома с концентрацией 1,50*10^-3 М, помещенного в кювету с 1 = 1,00 см; в) значение е при X = 436 нм, молекулярная масса брома (Вг₂) 159,81.

Ответ: а) да; б) Г=51,2%; в) 8= 1,93−10².

6.3.11. В таблице указаны результаты измерения квантового выхода флуоресценции органолюминофора с увеличением его концентрации в водном растворе.

Как можно объяснить полученные результаты?

Решение

Уменьшение квантового выхода с ростом концентрации органолюминофора свидетельствует о развитии концентрационного тушения. Преобразуем его к виду lg lgq) o/(p = 0lgе (С — С₀). При С < 0,05- 1(Н М (р = (р₀ = 0,900. Дополним экспериментальные данные значениями lgcpo/ф и построим график зависимости lg (.

0/.

КС). Из него находим пороговую концентрацию С₀ = 0,05* 10^-4 М. По величине тангенса угла рассчитаем константу концентрационного тушения 0= 1,0- ³/ge = 2,30−10³ М^-1.

6.3.12. В таблице приведены данные, характеризующие зависимость интенсивности флуоресценции раствора соединения люминола с аммиачным комплексом меди и пероксидом водорода от концентрации ингибитора — флороглюцина: а) постройте график зависимости lg/ от lgC и на основании его рассмотрения получите аналитическое выражение этой зависимости в виде функции lg 1= /(lgC); б) рассчитайте чувствительность флуориметрического метода определения флороглюцина.

Ответ: a) lg/ = -0,551gC — 0,55; 6)5 = -0,55 M^_1.

6.3.13. Зависимость интенсивности флуоресценции раствора триазинилстильбексона от концентрации Cr (III) характеризуется следующими данными:

С_Сг10⁷, М 0 0,4 1,2 2,3 4,4 ‘ 8,3 12 16.

/, усл.ед. 100 95 87 79 68 56 49 44.

Постройте график зависимости I/P от С_Сг и получите аналитическое выражение этой зависимости. Оцените чувствительность определения хрома (мл/мкг) по тушению флуоресценции триазинилстильбексона.

Ответ: S = 5,03Ю~³ мл/мкг.

6.3.14. Для различных значений оптической плотности люминссцирующсго раствора (а1C от 0,001 до 2,000) рассчитайте величину относительной погрешности, обусловленной использованием вместо точной формулы упрощенной и представьте результаты расчета в виде таблицы. По данным таблицы постройте график зависимости относительной погрешности от оптической плотности люминесцирующего раствора. При каком значении оптической плотности относительная погрешность: а) не превышает 1%; б) не превышает 5%?

Ответ: a) dC < 0,009; б) г/С < 0,043.

6.3.15. Интенсивность флуоресценции растворов, содержащих комплекс алюминия с салицаль-о-аминофенолом, с учетом концентрационного тушения, описывается эмпирической формулой.

где / — интенсивность флуоресценции, уел. ед.; С — концентрация алюминия, мкг/мл. Влияние концентрационного тушения в приведенной формуле учитывается сомножителем е~^0ЛЗС.

Выполните следующее: а) пользуясь эмпирической формулой, постройте график зависимости / от С и определите область его линейности (где отличие сигнала от расчетной величины нс превышает 5%); б) оцените чувствительность определения алюминия с салицаль-о-аминофснолом (мл/мкг); в) принимая, что в приведенной выше формуле член <�г°'^13С = 1, постройте график зависимости I от С, пренебрегая концентрационным тушением; г) сравнивая оба графика, определите диапазон концентраций, в котором концентрационным тушением можно пренебречь (где различие сигналов, рассчитанных с учетом и без учета тушения, не превышает 5%).

Ответ: а) 0,1 мкг/мл; б) 5=65,6 мл/мкг, 5_С—>₀=68,0 мл/мкг; г) С < 0,38 мкг/мл.

6.3.16. В таблице приведены результаты изменения квантового выхода родамина Б с изменением его концентрации в метаноле.

Какие характеристики можно получить из этих данных?

Ответ: С₀ = 3,4−10^-3 М, 0 = 1,17−10² л/моль.

6.3.17. В таблице приведены результаты измерения интенсивности флуоресценции родамина Б в присутствии комплекса цинка Zn (SCN)₄^2-.

Как можно интерпретировать полученные результаты? Можно ли их использовать для аналитических целей?

Ответ: можно рассчитать константу тушения К = 2,15−10³ мл/мкг; можно использовать для определения концентрации цинка.

6.3.18. В таблице приведены результаты измерений фосфоресценции растворов, содержащих вещество А: раствора анализируемой пробы и двух стандартных растворов.

Пользуясь результатами измерений, рассчитайте: а) максимальную интенсивность фосфоресценции растворов /; б) постоянную времени затухания фосфоресценции т, считая, что интенсивность фосфоресценции вещества, А убывает во времени по экспоненциальному закону; в) концентрацию вещества, А в анализируемом образце.

Ответ: а) 1_тах = 120,0, 179,9 и 134,9; б) т = 50 мс; в) С_л = 7,8 мкг/мл.

6.3.19. Для флуоримстрического определения органического соединения родамина 6Ж в анализируемом растворе объемом 25 мл с неизвестной концентрацией приготовили пять эталонных растворов:

С, мкг/мл 0,04 0,08 0,12 0,16 0,20.

/ 16 32 48 64 80.

В тех же условиях измерили интенсивность анализируемого раствора, которая оказалась равна 1 = 40.

По полученным данным постройте градуировочный график, определите содержание родамина 6Ж (мкг/мл) и его массу в мкг.

Ответ: 0,10 мкг/мл, 2,5 мкг.

Контрольные вопросы и задания

• 1. Что такое люминесценция?
• 2. Люминесцентный анализ является качественным или количественным методом?
• 3. Что такое квантовый выход в люминесценции?
• 4. Назовите основные виды возбуждения люминесценции.
• 5. Какая функциональная зависимость лежит в основе люминесцентного анализа?
• 6. Объясните, почему градуировочный график при флуоресцентном анализе линеен только в ограниченной области концентраций?
• 7. Почему люминесцентный метод анализа является более чувствительным, чем спектрофотометрический в УФи в видимой области?
• 8. Как добиться повышения чувствительности флуориметрического анализа?
• 9. Что понимают под термином «тушение люминесценции»? Какие виды тушения существуют?
• 10. Что такое фосфоресценция?