Явище люмінесценції
СОДЕРЖАНИЕ: Серед видів люмінесцентного аналізу виділяють методи кількісного аналізу, якісного аналізу та люмінесцентну мікроскопію. Методи люмінесцентного аналізу знайшли застосування при проведенні досліджень в медицині, в криміналістичному аналізі, дефектоскопії.Зміст
Вступ.
1. Явище люмінесценції. Загальний опис.
2. Історія розвитку люмінесцентного аналізу.
3. Прилади для люмінесцентного аналізу.
4. Види люмінесцентного аналізу. Кількісний та якісний аналіз.
Висновки.
Література.
Вступ.
Вивчення та дослідження нових матеріалів, діагностика в медицині, криміналістичні дослідження. Перелік таких галузей можна продовжити, але всі вони вимагають методів дослідження, які б були достатньо швидкі, в ідеальному випадку – експрес-методи та не пошкоджували самі об’єкти дослідження, були достатньо чутливі та не вимагали складної апаратури.
Одним із таких фізичних методів дослідження є метод люмінесцентного аналізу.
Серед видів люмінесцентного аналізу виділяють методи кількісного аналізу, якісного аналізу та люмінесцентну мікроскопію.
Методи люмінесцентного аналізу у наш час знайшли застосування під проведення досліджень промислових товарів, у медицині, у криміналістичному аналізі та в дефектоскопії.
Розглянемо дані методи більш докладно.
1. Явище люмінесценції. Загальний опис.
Люмінесценція – особливий вид світіння речовин без підвищення температури – відома ще з глибокої старовини. Однак пройшло багато століть, перш ніж людині вдалось цілком розкрити її природу.
Наукову розробку цього питання починають В. В. Петров, Стоці, Беккерель.
Термін люмінесценція і класифікацію типів світіння вперше запропонував німецький фізик Відеманн. Однак його визначення було неповним.
Під час фотолюмінісценції частка починає інтенсивно світитися в результаті захоплення квантів активуючого світла. Причому, повертаючись до вихідного стану, вона віддає отриману енергію у виді світла, довжина хвилі якого більша довжини хвилі джерела збудження.
Отже, люмінесценцією називають світіння атомів чи молекул, яке виникає в результаті електронного переходу в частинках речовини при їх переході із збудженого стану в не збуджений.
Класифікують явища люмінесценції за часом та методом збудження. За часом післясвітіння розрізняють два типи люмінесценції – флуоресценцію – світіння яке миттєво зникає після припинення дії джерела збудження і фосфоресценцію, світіння, продовжується певний проміжок часу.
В залежності від методу збудження розрізняють фотолюмінесценцію – свічення, яке виникає при поглинанні світлової енергії; катодолюмінесценцію – основану на свіченні речовин при поглинанні катодних променів (електронів) та хемілюмінесценцію – свічення, яке виникає при протіканні хімічних реакцій.
Всі люмінесціюючі речовини мають загальну назву – люмінофори. У найпростішому вигляді процес, збудження і свічення можна зобразити схемою, наведеною на рис. 1, з якого видно, що енергія випромінювання молекули завжди менша від енергії збудження.
Де Н – нормальний стан молекули із станами 0,1, 2, 3, 4, З – збуджений стан молекули із станами 0,1, 2, 3, 4.
Рис. 1. Збуджений та нормальний стани молекули та переходи між ними в процесі люмінесценції.
На основі цього було встановлено, що спектр люмінесценції зміщений відносно спектру поглинання в сторону довших хвиль (закон Стокса-Ломмеля). Доведено також дзеркальну подібність спектрів поглинання і спектрів випромінювання люмінесценції для складних молекул. Дзеркальна симетрія спектрів родаміну в ацетоні наведена на рис. 2.
Рис. 2. Дзеркальна симетрія спектрів родаміну в ацетоні.
1 – спектр поглинання, 2 – спектр випромінювання.
Різницю між максимумом спектру поглинання і максимумом люмінесценції Х називають стоковим зміщенням. Чим більша величина стоксового зміщення для даної люмінесціюючої речовини, тим вища чутливість визначуваної речовини люмінесцентним методом.
Повнота перетворення енергії збудження при люмінесценції характеризується енергетичним виходом Ве , який являв собою відношення випромінюваної енергії люмінесценції Ел до поглинутої енергії збудження Ев .
Ве = Ел / Ев .
Повноту перетворення енергії можна охарактеризувати також величиною квантового виходу люмінесценції Вк , який дорівнює відношенню числа випромінюваних квантів при люмінесценції Nл до числа поглинутих квантів Nв при збудженні:
Вк = Nл / Nв .
Оскільки енергія кванта оптичного випромінювання рівна: Е = h, то звязок між енергетичним та квантовим виходом люмінесценції можна виразити виразом:
Ве = Ел / Ев = Вк (в / л )
Енергетичний вихід люмінесціюючого випромінювання залежить від довжини хвилі збудженого світла (закон Вавилова). Графічно ця залежність показана на рис. 3.
На ділянці 1 кривої величина енергетичного виходу росте пропорційно довжині хвилі збудженого світла; далі в ділянці накладання спектрів поглинання
і випромінювання відбувається різке падіння виходу (ділянка ІІ).
Рис. 3. Залежність виходу випромінювання від довжини хвилі збуджучого світла.
Для ділянки кривої 1 можна записати: Ве = а в , де а - коефіцієнт пропорційності.
Але оскільки Ве = Ел / Ев = Вк (в / л ), то, обєднавши два рівняння і знаючи, що речовина при люмінесценції випромінює світло певної довжини хвилі, одержимо вираз:
Вк = а к = const,
з якого випливав, що квантовий вихід люмінесценції залишається сталим на ділянці 1 наведеної кривої при збільшенні довжини хвилі збудженого світла до 500 – 600 нм. Саме ділянку спектру 1 (від 100 до 600 нм) використовують для кількісного визначення речовин. На практиці для проведення люмінесцентного аналізу багатьох речовин використовують ультрафіолетові промені світла з більшою енергією кванту, які одержують в основному за допомогою ртутних ламп.
2. Історія розвитку люмінесцентного аналізу.
Історія люмінесцентного аналізу повязана з розвитком навчання про люмінесценцію взагалі.
Початок розвитку цього методу відноситься до глибокої старовини. Віками люди спостерігали за світінням у темряві гнилого дерева, комах, однак природа цього явища тривалий час залишалася нерозкритої. Рукописні зведення про люмінесценцію починаються з Каскаріоло, що у 1604 р. синтезував першу штучну речовину здатну до люмінесценції (болонский фосфор).
Пізніше алхіміки відкрили цілий ряд мінералів, що світяться в темряві. Досвід обмежувався якісними спостереженнями і складанням хімічних рецептів фосфорів.
Перший крок у дослідженні люмінесценції зробив російський академік В. В. Петров. Він вивчав біологічну тканину (гниюче мясо, рибу та ін.) і підійшов до проблеми світіння винятково з хімічної точки зору. На підставі цих дослідів В.В. Петрову вдалося відокремити хемілюмінесценцію від фотолюмінісценції.
Гершель у 1800 р. відкрив інфрачервоні промені. Це навело на думку про те, що до фіолетової частини спектра примикає область невидимих променів, що незабаром були виділені і названі ультрафіолетовими. В.В.Петров у 1802 р. винайшов дугову лампу, що являлася могутнім джерелом ультрафіолетових променів. Наприкінці XІХ ст. зявляються перші дисертаційні роботи з застосування люмінесцентного аналізу, що стосуються вивчення біологічних обєктів.
У 1903 р. Вуд запропонував виділяти потрібний для люмінесценції спектр променів, використовуючи для цього спеціальний фільтр. Користуючись цим фільтром, автор вивчав флуоресценцію шкіри, волосся, зубів. У 1918 р. він описав флуоресценцію кришталика ока людини.
Справжнім поштовхом до практичного застосування люмінесцентного аналізу в медицині і біології варто вважати введення в методику дослідження скляних фільтрів, поява кварцових ламп, а згодом і винахід зручної аналітичної лампи. Перший патент на ртутну лампу низького тиску отриманий російським професором Рєп’євим. У 1925 р. фірма Hanay використовувала чорне скло в аналітичній кварцовій лампі. Вітчизняна промисловість випустила кольорові скельця марки УФС, призначені для виділення ультрафіолетового випромінювання.
Із створенням компактної апаратури різко збільшилося число робіт з люмінесцентного аналізу в біології і медицині. Метод виявився особливо коштовним у тих випадках, коли характер завдань, що вирішуються, вимагав використовувати специфічні переваги люмінесцентного аналізу й у першу чергу його велику чутливість.
З 20-х років ХХ ст. посилено розвивається наукове вивчення власного світіння (первинної люмінесценції) біологічних тканин.
У цей період дослідники користалися найбільш простим і легко доступним прийомом – безпосереднім спостереженням люмінесценції досліджуваного обєкту.
Оскільки теоретичні уявлення про люмінесценцію ще тільки формувались, те і розвиток люмінесцентного аналізу в хірургії йшло в основному методом експериментів. У цей період широко вивчається власне світіння тканин і органів, вилучених при операції. Відкрите положення і доступність зовнішніх покривів дозволили досліджувати патологічні процеси, що локалізуються в шкірі.
Успіх сучасного люмінесцентного дослідження значною мірою повязаний із застосуванням флуоресцеїну, а ефективність люмінесцентного дослідження – з можливістю створення достатньої концентрації флуорохрому в ураженій тканині. Останнє ж залежить від способів уведення флуорохрому, тому що кожний з них у неоднаковому ступені забезпечує досягнення необхідної концентрації препарату у вогнищі ураження й у крові.
Метод з успіхом застосовується в нейрохірургії: у діагностиці запальних процесів головного мозку і мозкових оболонок. Г.М. Локтіонов, а також закордонні вчені використовували прижиттєве флуорохромірування для виявлення пухлин мозку під час операції. Г.Д. Князєва й ін. вивчали стан гемато-энцефалічного барєру при повітряній емболії мозку під час операції на серце, використовуючи флуоресцентний індикатор. Хофман і ін. повідомили про механізм проникнення флуоресцеїну через гемато-энцефалічний барєр.
Серед інших досліджень заслуженим успіхом стала користуватися люмінесцентна мікроскопія, що відноситься до більш тонких методів вивчення структури, біофізико-хімічного і функціонального стану клітки.
Люмінесцентний метод дозволяє виявляти кислі мукополісахариди і різні компоненти тканин, зокрема альдегіди і кетони, глікоген, жир, кальцій.
Люмінесцентний аналіз набув широкого застосування в санітарії і гігієні, судовій медицині, а також у фармакології.
3. Прилади для люмінесцентного аналізу.
Апаратура для люмінесцентних досліджень повинна бути портативною, зручною, повинна забезпечувати проведення діагностичних спостережень у будь-яких умовах, мати оптико-світлотехнічну систему для концентрації випромінювання на визначену ділянку.
Основними вузлами апаратури для люмінесцентного аналізу є освітлювач із світлофільтрами, кювети, діафрагми і пристрій для вимірювання інтенсивності свічення. Освітлювачем для люмінесцентного аналізу, як правило, використовують ртутні лампи. Приймачем виступає фотоелемент або фото помножувач. Принципова схема лабораторного флуориметра ЄФ-ЗМ, призначеного для кількісного аналізу вітамінів та інших люмінесціюючих речовин, показана на рис. 4.
1. кварцова лампа;
2. діафрагма;
3. заслінка;
4. фільтр;
5. кварцова оптика;
6. посудина з досліджуваним розчином;
7. кварцова оптика;
8. світлофільтри;
9. фотоелементи.
Рис. 4. Схема лабораторного флуориметра ЄФ-3М.
Світло від кварцової лампи 1, проходячи через діафрагму 2, світлофільтр 4 і кварцову оптику 5, потрапляє на посудину з досліджуваним розчином. Люмінесцентне свічення досліджуваного розчину проходить через кварцову оптику 7, вторинні світлофільтри 8, потрапляє на фотоелемент 9. Фотоелемент, перетворюючи світлову енергію в електричну, подає її на електронний підсилювач, в анодний ланцюг якого підключений мікроамперметр. Покази мікроамперметра прямо пропорційні концентрації люмінесціюючої речовини
Метод люмінесцентного аналізу в медицині став більш успішно розроблятися з розвитком вивчення вторинної люмінесценції. Остання представляє світіння, що виникає після зафарбування тканин спеціальними барвниками – фото люмінофорами. Органічні фотолюмінофори, що випромінюють під дією ультрафіолетових чи променів видимої частини спектра, часто називають флуоресцентними барвниками, чи флуорохромами.
Розглядаючи численні роботи з люмінесцентного аналізу в медицині, прийшли до висновку, що основним і самим коштовної флуорохромом є флуоресцеїн. Флуоресцеїн (диоксифлуоран) (C20 H12 O5 ) – органічну сполуку, барвник групи трифенілметанових, червоний кристалічний порошок, розчиняється в спирті, ефірі і водяних лугах. Назва флуоресцеїн дано сполуці тому, що в лужних розчинах він має сильну флуоресценцію (у концентраціях до 1 : 2000000).
Отримують флуоресцеїн при нагріванні фталевого ангідриду з резорцином. У лужному середовищі оптимальна концентрація його 0,8 г/л, колір флуоресценції жовто-зелений, відносна яскравість 0,26 нт.
Флуоресцеїн майже нерозчинний у воді, тому для парентерального введення цього препарату застосовують його натрієву сіль. Флуоресцеїн – один з найбільше яскраво світних флуорохромів.
Енергетичний вихід світіння при кімнатній температурі у флуоресцеина досягає 70-71%.
Препарат не токсичний і усебічно вивчений експериментаторами і клініцистами.
Він допущений для застосування в клініці Міжнародною фармакопеєю, фармацевтами США, Великобританії й інших країн.
Однак, даючи повну й обєктивну характеристику препарату, слід зазначити, що він має побічні ефекти, що часом небажані і вимагають своєчасного усунення.
Нудота і рвота – найбільш часті ускладнення, що виникають при люмінесцентному дослідженні з флуоресцеїном, особливо при внутрішньовенному і внутріартеріальному введенні препарату.
Однак вони легко знімаються зменшенням дози препарату, уповільненням швидкості введення його в судинне русло.
4. Види люмінесцентного аналізу. Кількісний та якісний аналіз.
Кількісний люмінесцентний аналіз базується на лінійній залежності між інтенсивністю люмінесценції і концентрацією люмінесціюючої речовини І = КС .
Варто відмітити, що лінійна залежність спостерігається лише при малих концентраціях 
моль/л , тобто люмінесцентний метод аналізу використовують для визначення мікрокількостей речовин.
Для визначення концентрації речовини використовують метод калібрувального графіку, який будують в координатах І - С.
Значне застосування в аналітичній практиці в даний час має хемілюмінесцентний метод аналізу, який базується на виділенні світла при перебігу хімічних реакцій. Як хемілюмінесцентний індикатор (люмінофор) найчастіше використовують гідразид 3-амівофталевої кислоти, який за свою яскраву хемілюмінесценцію був названий люмінолом. При окисленні люмінолу перококсидом водню та іншими окисниками у лужному середовищі спостерігається слабка хемілюмінесценція, Інтенсивність якої різко зростає в присутності слідових кількостей металів – каталізаторів розкладу пероксиду водню в лужному середовищі.
Реакція окислення люмінолу протікає за рівнянням:
Нині розроблено багато методик хемілюмінесцентного визначення слідових кількостей (домішок) металів у різних матеріалах високої чистоти. Всі вони базуються, на лінійній залежності між інтенсивністю хемілюмінесценції та концентрацією каталізатора в розчині.
Люмінесцентні індикатори, наприклад, люмінол, використовують також для встановлення точки еквівалентності в титрометричному аналізі.Застосування базується на залежності інтенсивності хемілюмінесценції від рН розчину.
Хемілюмінесцентний метод використовують також для аналізу малих кількостей органічних речовин - ароматичних амінів, фенолів, вуглеводів та ін. в останній час існує можливість застосування люмінесцентного методу аналізу для визначення фруктози і сахарози в меді, вуглеводах.
Спектр люмінесценції будь-якої речовини залежить від її природи. На цій залежності базується, якісний люмінесцентний аналіз. Суть його полягає в тому, що коли розглядати ззовні однакові обєкти в білому світлі, то вони не відрізняються між собою, але після освітлення їх ультрафіолетовим світлом, можуть світитися по різному. Так, наприклад, неоднаково світяться свіже зерно і зерно, яке псується, що можна використати для визначення його якості. Сортовий аналіз використовується для сортування різних сортів скла, різних видів палива, для виявлення підробок документів, у медицині.
Для виявлення різних дефектів на поверхні металічних виробів широко використовується так звана люмінесцентна мікроскопія. Нанесене на досліджувану поверхню люмінесціююче мінеральне масло при наявності суцільної тріщини просочується наскрізь на незмазану поверхню деталі. Люмінесціююча рідина залишається в дрібних тріщинах після того, як вона знята з поверхні деталі. Місця дефектів звичайно виділяються на темному фоні за їх яскравою люмінесценцією.
Різновидом якісного люмінесцентного аналізу являється сортовий аналіз, який дозволяє виявити невидимі при звичайному освітленні відмінності в досліджуваному об’єкті та використовується для виявлення сортності та якості скла,, насіння, сільськогосподарської продукції, для виявлення мінералів у гірських породах, поверхневих та наскрізних дефектів, виявлення підробок в криміналістиці.
Флуоресцентний аналіз заснований на утворенні люмінесціюючи комплексних сполук елементів із органічними речовинами, наприклад похідними флавона, такими як морин, кверцетин, похідними тригідроксифлуорона, та гідроксиантрахінона, 8-оксихвноліна, родамінами, тощо. Даний метод мало селективний, більшість реагентів являються груповими реагентами, тільки люмогалліон є специфічним для виявлення Галлію та люмомагнезон – для виявлення магнію для збільшення селективності використовують екстракційно-флуоресцентний аналіз – попереднє розділення аналізованої суміші методом екстракції а також осадження розчинів та охолодження розчинів до температур рідкого азоту та гелію. В останньому випадку може виникнути і фосфоресценція.
Фосфоресцентний аналіз – це метод аналізу, який володіє високою селективністю, оскільки лише деякі катіони утворюють із органічними реагентами фосфоресціюючи комплекси, самі ж реагенти не фосфоресціюють. Для реєстрації спектрів та інтенсивності фосфоресценції використовують фосфороскоп, при цьому флуоресценція не реєструється.
Хемілюмінесцентний аналіз заснований на світінні, що виникає в результаті окисно-відновних реакцій органічних речовин (люмінола, люцігеніну) із катіонами перехідних металів - 
. Концентрацію металів визначають по зміні інтенсивності випромінювання. Границя виявлення металів складає 
.
Люмінесцентний аналіз органічних сполук утруднений, оскільки їх спектри люмінесценції, як правило, не специфічні. Однак запропоновані методи кількісного виявлення порфіринів, вітамінів, антибіотиків та хлорофілу в розчинах. При використанні лазерів границя виявлення цих речовин складає 
. Ароматичні сполуки в заморожених розчинах вуглеводнів при температурі 77 К дають характерні для кожної сполуки спектри люмінесценції (ефект Польського). Тому даний метод використовують для виявлення та кількісного визначення полі циклічних ароматичних сполук в екстрактах рослин ґрунтів, продуктів харчування. Границя виявлення складає 
.
Перевагою люмінесцентного хімічного аналізу в порівнянні з іншими фізико-хімічними методами є його висока чутливість. За допомогою люмінесцентного аналізу можна визначити до мільйонної долі проценту речовини.
Висновки
Люмінесцентний аналіз широко використовують для при дослідженні властивостей текстильного волокна та різноманітних матеріалів, широко він також використовується у медицині для діагностики різноманітних захворювань.
Також на даний час встановлено можливість виявлення структурних змін речовини за зміною спектру люмінесценції речовини.
В хімії по власній люмінесценції виявляють лантаноїди, уран, деякі рідкоземельні метали. Чутливість виявлення яких сягає 
.
Висока селективність та чутливість люмінесцентного аналізу сприяє широкому застосуванню його в фізиці та хімії, медицині.
Література
1. Барашков Н. Н. Люминесцентный анализ. – М.: Химия, 1983, - 423 с.
2. Карякин А. В., Грибовская И. Ф. Методы оптической спектроскопии и люминесценции в анализе природных и сточных вод. – М.: Химия, 1986, - 324 с.
3. Несмеянов А. Н. Органическая химия. В 2-ух Т. М.: Химия, 1963, 890 с.
4. Полянський Б.А. Люминесцентное исследование органов и систем, - «Наука», Новосибирск, - 1983р.
5. Скоробагатий Я. М. Фізико – хімічні методи аналізу. – Львів, Дарина, 1996, - 186 с.
6. Химическая энциклопедия: в 5 т. – М.: Советская энциклопедия, 1988. – Т. 2Дар-Мед. 1220 с.