Органикалық молекулалардың фотоникасы
Мазмұны
Кіріспе
7
1
Органикалық молекулалардың фотоникасы
10
1.1
Люминесценцияның түрлері
11
1.2
Энергетикалық деңгейлерінің диаграммасы
13
1.3
Флуоресценцияның негізгі заңдары
15
1.4
Люминесценциялық өлшеулер
2
Сәуленің жұтылу және сәуле шығару спектрлерін тіркейтін құрылғылар
23
31
2.1
SPEKOL 1500 спектрофотометрі
31
2.2
Сәуле шығару флуоресценциясының спектрлері мен қоздыру спектрлерін тіркейтің аспап
32
3
Люминесценция дабылын тіркеу жүйесі
35
3.1
Дабылдарды тіркеу жүйесініңблок-сұлбасы
35
3.2
Бағдармалалық қамтамасыз етуі
37
3.3
Дабылдарды тіркеу жүйесінің құрылымдық сұлбасы
42
3.4
Дабылдарды тіркеу жүйесінің электрондық схемасы
45
Қорытынды
58
Пайдаланылған әдебиеттер тізімі
61
Қосымша
63
Кіріспе
Люминесценциялық өлшеудің екі түрі бар, импульсті және жұмыста көрсетілгендей фазамодуляциялық әдісі. Импульсті әдісінде үлгі жалғыз импульсті немесе жеткілікті қуатты жарық импульсінің артқы тізбекті сериясы сәулеленеді. Фазамодуляциялық әдісте стационарлық сәуле көзі пайдаланылады.
Импульстік әдістер кез келген өшу мәніндегі люминесценция сипатының кинетикасын зерттеуге мүмкіндік береді. Фазомодуляциялық әдістері люминесценцияның өшу мәнізаңыныңтүріналдын-ала болжауға және тек сандық параметрлерінің экспериментальды мәнінанықтайды, бұл жағдайда фаза және амплитуда мәні.Болжамды заңның дұрыстығын тексеру ерекше зерттеуді қажет етеді.
Молекулалық фосфоресценцияның кинетикалық сәулеленуі кезінде, әдетте сипатталатын өшу мәнінің уақыт диапазоны 10-7 - 10 с, бұл мән әдетте импульстік әдістерде пайдаланылады. Флуоресценцияның 10-12 - 10-7 пикосекундты және наносекундты диапазонында зерттеу үшін импульсті фазамодуляциялық әдістері пайдаланады.
Люминесценттіәдістерінпайдалану диагностика және жоғары технологиялық материалдар мен жаңа заттардың [1] жоғарғыфарматты тәсілдерініңбірі болып табылады.Люминесцентті әдістері тек жоғары сезімталдыққа ие және қозған молекула күйінің, фотохимиялық реакциялардың, жылдам молекулалық динамикасы процестерінің, құрылымы мен қасиеттерінің күрделі физикалық, химиялық және биологиялық сәулеленуіне мүмкіндік береді.
Люминесценция флуоресценция (бірдей мультиплетті күй арасындағы электронды көшу нәтижесінде жарық квантының сәулеленуі) және фосфоресценция (әртүрлі мультиплеттілік арасындағы сәулелену) сондай-ақ, ұзақ люминесценция (ҰЛ) деп аталады. Ұзақ люминесценцияға сондай-ақ жеке жағдайы флуоресценция - баяу флуоресценция жатады. Баяу флуоресценция тез флуоресценциядан спектральды айырмашылығы жоқ, алайда оның өшу мәндері,орта уақытты өмірі синглетті жай-күйі мен салыстыруға уақыт өте келе фосфоресценциядан айтарлықтай көп.
Люминесценттік өлшеу кезінделюминесценцияның өшу мәнінің уақытын өлшеуге тура келеді (қозған күйінде молекуласы қалады, өзінің негізгі жағдайына оралу уақыты). Бұл түсіндіріледі, осы ішкі және молекуларалық өтетін процестерді шамасын ауыстырғаннан кейін молекулалардың қозған күйі деректерді табуға болады.Өшу мәнінің люминесценциясызаңындәл білу өзара іс-қимыл туралы флуоресценциялаушы молекулалар, оның қоршаған ортамен және болып жатқан процестерге ішіндегі молекулалардың [2] егжей-тегжейлі ақпаратынбере алады.
Осыған байланысты, бұл ҰЛ шағын кванттық шығысты және шағын ұзақтығы объектілерді, қажет тіркеу құрылғылары жоғары сезімталдығы және уақытша рұқсат беретін қасиеттердісипаттайды. Осы шарттардықанағаттандыратынәдістерді ңбірікең таралған фотондар саны әдісі болып табылады. мұнда қолданылатын және бұдан әрі тарихи қалыптасқан "фотондар саны" термині фотоэлектрондағыәсерұшып фотокатод фотоэлектрондықтыңкөбейткішіне бірлі-жарым кванта өріске негізделген сәулелену деп болжайды. Алайда, бұл интерпретация физикалық үдерісінің мәнін фотодетекциялау өте оңайлатылған болып табылады. Бұл термин "фотондар саны" жалпыға тән болып табылады, сондықтан ол аталған жұмыс үшін белгілер әдісі тіркеу негізделген түрлендіру, жарықтың дәйектілігі электр серпінібірэлектронды фотоқабылдағыш [3] үшін пайдаланылады.
Дамытудың негізгі бағыты өлшеу техникасын зерттеуде заттардың люминесценттік қасиеттерін автоматтандыру пайдалана отырып, дербес компьютерлер (ДК) үшін пайдаланылады басқару, ақпаратты жинау және өңдеу болып табылады. Жұптастыру өлшеу құрылғыларын ДК жылдамдығынайтарлықтай арттырады,өлшеу дәлдігі жеңілдетеді, эксперимент жүргізуге, сондай-ақ бастапқы деректерді өңдеу [3] жүргізуге мүмкіндік береді.
Тағы бір маңызды мәселе автоматтандыру процесібөліктерін сапалы, функционалдық қамтамасыз ету бағдарламалыққұру болып табылады. Бұл ретте соңғы орында қойылатын талаптар ыңғайлылығы пайдаланушы интерфейсі және жоғары жылдамдығы жазу және редакциялау бағдарламалық код тұр. Талдау кезінде алға қойылған міндеттерді шешім қабылданды, Microsoft фирмасының Visual Studio 2008 бағдарламалық әзірлеу қамтамасыз етеді.
Орнату кезінде операциялық жүйесі көптеген компоненттері орнатылған қолданбалар компоненттері белгіленетін бағдарлама ауыстырылады, бұл ретте ауыстырылатын компоненттер функционалдығын жоғалтады. Осыған жұмысы тоқтап қалғаны операциялық жүйесінің бұзылуы үйлесімділігін қосымшалар байланысты. Бұл проблема кітапхана динамикалық құрастыру әзірленген Microsoft іске асыру үшін компоненттік бағдарламалау, "Dll hell". Dll - dynamic link library деген атаумен белгілі болды.
Net ортасы құралы ұсынылған Microsoft корпорациясы, проблемаларды шешу үшін, байланысты кітапханалар динамикалық құрастыру кезінде олар ауыстырылады жинамалары .Net болған күннің өзінде өзекті болып табылады. Өрістету пакеттерін қосымшалар жеңілдігі, платформалар үйлесімділік көптеген, мүмкіндігі қондырма қосымшалар .Net арқылы құрастырулар, осы ортаға күшті құралы үшін қосымшаларды әзірлеужасайды.
Жеделдету үшін деректерді бейнелеу үшін, жұмыс терезе және түсіру орталық процессорлық құрылғы мен басқа пайдалы процестер үдеу графиктері, мысалы, кітапхана Managed DirectX үшін арнайы әзірленген қоршаған орындау уақыты .Net CLR(Common language run-time)бағдарламасы қамтамасыз пайдаланады.
Бұл жұмыстың мақсатылюминесценцияны өлшеу жүйесіңәзірлеу және құру болып табылады.
Жұмыста қойылған келесі міндеттер шешіледі:
- арна дабылдарды тіркеу люминесценциясын әзірлеу және құру;
- тіркеу құрылғылары импульс ҚЭБ әзірлеу және құру;
- (БҚ) жұмысын басқару үшін қондырғы бағдарламалық қамтамасыз ету;
-ПО пакетін құру, орнату үшін.
Зерттеу объектісі люминесценция дабылдарын өлшеу әдістері болып табылады.
Жүйе ретінде тіркеу әдісі ретінде зерттеу пәні болып табылатын дабылдарды тіркеу әдістері қолданылды.
Жобалау әдістері. Ұсынылған әдістемені жобалау, бағдарламалық қамтамасыз ету сипатталған әдебиет [4] пайдаланылды.
Ғылыми жаңалығы:
1. Сандық құрылғыны люминесценция дабылдарды тіркеу үшін әзірленді және құрылды.
2. Құрылған бағдарламалық бағдарламалар платформаға Win32өнімділігі ауыстыруды қамтамасыз ету.Net мақсатында қосымшаларды жобалау эксперименттер жүргізу үшін әзірленген модульдер үшін алдын-ала нәтижелерін өңдеу эксперименті.
Практикалық маңыздылығы. фотопроцесті молекулалық жүйелерде -құрылған сандық құрылғыны эксперименттік орнату бойынша зерделеу,Е. А. Бөкетов атындағы ҚарМУда молекулалық фотоника институтындапайдаланылады.
1 Органикалық молекулалардың фотоникасы
Люминесценция - сыртқы энергия көзі әсерінен денелердің жарық шығару үдерісі. Люминесценция үдерісі кезінде шыққан жарықтың жиілігі оны қоздыру жарық жиілігінен өзгеше болады. Люминесценция құбылысын жарықтың шашырауы, шағылуы және денелердің термодинамикалық тепе-теңдік күйіндегі жылулық сәуле шығаруы тәрізді құбылыстардан ажырату қажет. Денені қыздырғандағы жарық шығарудан бұл бөлек үдеріс, мұнда жылуды шығаратын жүйе энергиясы пайдаланылмайды. Сондықтан да оны "салқын жарық" деп те атайды [5]. Люминесценция электрон қоздырылған күйінен негізгі күйге ауысқанда пайда болады. Люминесценция жарығын шығарған зат кез-келген агрегатты күйде болуы мүмкін. Люминесценция бірнеше классификация бойынша бөлінеді (қоздыру әдісі, ұзақтығы және т.б. бойынша). Мысалы, ұзақтығы бойынша фосфоросценция мен флуоресценция, қоздыру түрі бойынша фото-, радио-, катодолюминесценция және т.б.
Табиғаттағы сәуле шығару құбылыстарының кең тараған түрінің бірі - люминесцения болып табылады. Люминесценция, зат қоздыру энергиясын жұту нәтижесінде, яғни зат бөлшектерінің негізігі күйден қоздырылған электрондық күйге өтіп, негізгі күйге қайтып оралып жарық квантын шығару нәтижесінде пайда болады.
Молекуланың электрондық күйі өзгергенде, әдетте, оның тербелмелі-айналмалы күйлері де өзгереді. Нәтижесінде, люминесценция кванттары - молекуланың электрондық өтулерінің кванттары мен тербелмелі және айналмалы күйінің өзгеруінің кванттары комбинациясын құрайды.
Органикалық бояғыштардың молекулалары қанықпаған көмірсутегінің бір немесе екі байланысы (түйісу тізбегі) түрінде болады. Жұту жолағының орналасуы және электрондық көшу қимасы хромоформен анықталады. Бояғыш молекулалардың қос байланысын қалыптастыруда PI және σ - электрондары қатысады. σ - электрондардың толқындық функциялар байланысы байланыс бағытына қатысты айналмалы симметриялық болып, ал PI - электрондардың толқындық функциялары байланыс перпендикуляр байланыс бағытына және ядро түйініне қатысты айналмалы симметриялық болып табылады. PI - байланыстағы атомдардың энергиясының көпшілігі симметрия орбиталарда PI - электрондар осінің параллель орналасуына сәйкес келеді. PI -байланысының ең жоғары беріктігі және молекуланың ең төменгі еркін энергиясы түйісу тізбегінің тегіс құрылымында орындалады. PI- электрондардың анағұрлым жоғары тығыздығы тізбектер жазықтығына симметриялы жоғары және төмен орналасқан. Тізбекті түйіндес байланыстары бар органикалық молекулалар, олардың кристалдары мен ерітінділерінің қарқынды боялуына әкелетін оптикалық өтулер қимасының (σ ~ 10-16 см2) үлкен шамасына ие.
Молекула жарық жұту кезінде оның энергиясы жұтылған фотон энергиясы hv сәйкес артады. Кванттық теорияға сәйкес жүйенің энергиясы оның ішкі қасиеттерімен анықталады. Бояғыш молекулаларының күрделі құрылымы энергетикалық күйлердің әр түрлілігіне әкеледі. Квант энергиясының жұтылуы кезінде әрбір молекула төмен энергетикалық деңгейден жоғары деңгейге өте алады. Молекуланың толық энергиясы Е электрондық энергия Еэл, тербелістік Етер және айналмалы энергиялардың қосындысымен анықталады Еайн:
Е=Еэл+ Етер + Еайн (1)
Молекулалардың энергетикалық күйлерін қатаң түрде қарастырған кезде электронды-тербелмелі, электронды-айналмалы және тербелмелі-айналмалы энергияларын ескеру қажет.
1.1 Люминесценцияның түрлері
Люминесценция - тепе-теңдіксіз үдеріс, себебі молекула жарық шығарғаннан кейін ұзақ уақыт бойы өзінің қозбаған күйін сақтау мүмкін (немесе молекула қайтадан қозуы мүмкін), яғни молекула жарқырауы мен сыртқы сәулелену өрісі арасындағы тепе-тендікті жалпы жағдайда болжауға болмайды [6].
Нақты жағдайда когерентсіз сәулелену арқылы бір-бірінен тәуелсіз жарық шығаратын молекулалардың үлкен санының бір мезгілде сәулеленуі байқалады. Сонымен қатар, люминесценцияның жарықтың шашырау құбылысынан айырмашылығы - энергияның жұтылуы - сол энергияның жарық шығаруынан пайда болады.
Органикалық және бейорганикалық заттардың көп саны люминесцентік қабілетіне ие және қасиеттері бірдей болмауы мүмкін [7]. Осы айырмашылықтар люминесценция құбылысының классификациясының қажеттілігін тудырады.
Бірінші классификацияға сәулелену үдерісінің ұзақтығы жатады. Мұндай классификацияның нәтижесінде люминесценция үлкен екі класқа бөлінеді: флуоресценция және фосфоресценция. Флуоресценция қоздырылған жарық импульсімен қатар сөнетін сәулелену (~10ˉ9с); фосфоресценция қоздырылған жарық өшкеннен кейін байқалатын үдеріс (10ˉ6с) [7].
Екінші классификация бойынша, люминесценция қоздыру әдісінің түрлеріне бөлінген. Жарық фотондарымен қоздыру - фотолюминесценция деп аталды. Электрондық сәулелермен қоздырылған сәулелену - катодолюминесценция деп аталды. Радиолюминесценция радиоактивті ыдырау нәтижесінде пайда болады. Электр өрісімен қоздырылатын сәулелену - электролюминесценция деп аталады. Люминесценцияның басқа түрлері де болады. Ол хемилюминесценция, химиялық реакция нәтижесіндегі сәулелену. Қазіргі уақытта электролюминесценция жақсы дамуда.
Үшінші классификация, С.И. Вавилов ұсынуымен, люминесценцияның кинетикасы бойынша резонанстық, өздігінен, мәжбүрленген және рекомбинациялық болып бөлінеді [8].
Резонанстық флуоресценция деп, сәулелену фотондарының энергиясы жұтылған фотондар энергиясына тең кездегі жағдай аталады. Резонанстық флуоресценция булар мен газдардың атомдарында және қарапайым моле-кулаларда байқалады. Резонанстық флуоресценция негізінде атомдық флуоресценция құбылысы жатыр.
Өздігінен люминесценция құбылысында қоздырылғаннан кейін молекула Е0 қозбаған деңгейден Е1 жоғары қозған электрондық деңгейге өтеді, содан молекула сәулеленбей төмен Е2 қозған деңгейге өтеді (1.1-сурет). Негізгі Е0 деңгейге жарық кванттын шығарып өтеді. Өздігінен люминесценцияда шығарылған квант энергиясы жұтылған квант энергиясынан кіші болады. Өздігінен болатын люминесценция газда және күрделі молекула ерітінділерінде, молекулалық кристалдарда, сонымен қатар, қоспалық қатты заттарда байқалады.
1.1-сурет. Люминесценция түрлері: а) атомдық; б) өздігінен; в) мәжбүрленген [8]
Резонансты және өздігінен люминесценция кезінде молекулалардың қозған күйден негізгі күйге өту ықтималдылығы температураға тәуелсіз және оның ішкі қасиеттерімен анықталады.
Мәжбүрленген люминесценция күрделі жолмен өтеді. Мәжбүрленген люминесценцияның негізі атомдық жүйелердегі (атомдарда, иондарда, молекулаларда) кванттық өтулер кезінде пайда болатын еріксіз сәуле шығару құбылысына негізделген. Оның сұлбасында Е0, Е1, Е2 деңгейлерінен басқа М метатұрақты деңгейі қосылған және осы денгейден Е0 деңгейіне тікелей өтуге тиым салынған. Молекула Е0 деңгейден Е1 деңгейге өтеді де, сәулеленусіз Е2 деңгейге өтуі мүмкін, содан М деңгейге өтеді. М денгейде молекуланың люминесценциясы температураға тәуелді болады. Люминесценцияның осы түрі төмен температураларда және сұйық ортадағы күрделі органикалық молекулаларда тіркеледі.
Өздігінен және мәжбүрленген люминесценция, көбінесе, молекулалық жүйені сипаттайды. Сондықтан сәулеленудің мұндай түрлері молекулалық люминесценция түсінігі бойынша біріктіріледі. Рекомбинациялық люминесценцияның сипаттамалары күрделі. Екі кері таңбалы зарядталған молекула бөліктерінің қосылуы кезінде байқалады. Рекомбинациялық люминесценция газдарда радикалдар мен иондардың рекомбинация үдерісі нәтижесінде қозған күйде молекула пайда болуымен іске асырылады. Рекомбинациялық люминесценция кристаллофосфорларда жиі кездеседі.
1.2 Энергия деңгейлерінің диаграммасы
Молекулалар жарық квантын жұтқаннан кейін, кванттық энергияны күрделі түрлендіру үдерісі жүзеге асады. Яблонскийдің деңгейлер диаграммасын күрделі молекулалардың энергетикалық күйлер диаграммасы деп қарастыруға болады [9]. 4-суретте фотонды жұту нәтижесінде пайда болатын, әр түрлі молекулаішілік өтулердің сұлбасы көрсетілген. Берілген электрондық өтулерге қатысатын молекулалық орбитальдардың (МО) электрондық конфигурациясы энергетикалық деңгейлердің жанындағы тіктөрт-бұрыштарда көрсетілген.
Күрделі органикалық молекулалар диамагнитті және олардың негізгі электрондық күйі - синглетті S0 (спиндері жұп). Суретте бірэлектронды қоздыру көрсетілген, онда электроның біреуі төменгі МО қалады да, екінші электрон жоғарғы бос МО-ға өтеді. Молекула қозған күйде триплетті деңгейлер жүйесіне ие, ол Тj деп белгіленеді [10]. Мұндай күйде екі электрон параллель бағытталған спиндерге ие болады. Триплетті деңгейлер, синглетті деңгейлермен салыстырғанда төмен орналасады [11]. Бірдей спиндік мультиплеттігі бар күйлер арасындағы сәулелену - флуоресценция деп, ал спиндік мультиплеттігі әр түрлі күйлер арасындағы өтулер - фосфоресценция деп аталады.
Егер молекула жарық квантын жұтып Sj қозған деңгейлердің біреуіне өтсе, онда ол негізгі күйге екі жолмен қайтып оралады: сәулеленусіз өту және жарықтың квантын шығару жолымен. Сәулеленусіз өтулердің мысалы ретінде, ішкі жаңғырту, тербелмелі релаксация, интеркомбинациялық жаңғырту құбылыстарын айтуға болады.
Ішкі жаңғырту - мультиплеттігі бірдей екі әр түрлі электрондық күйлердің арасындағы сәулеленусіз өту үдерісін айтады. Молекула жарық квантын жұтып S2 қозған электрондық күйге өткен жағдайын қарастырайық. S2S1 сәулеленусіз өтудің механизмі, S1 күйдің жоғарғы тербелмелі деңгейлерімен S2 күйдің төменгі тербелмелі деңгейлерінің қабаттасуымен (энергиясы бойынша) түсіндіріледі. Жоғарғы S2 және төменгі S1 электрондық күйлердің потенциалдық беттері қиылысқанда, 10-12 с уақыт ішінде ішкі жаңғырту құбылысы іске асырылады.
Ішкі жаңғыртудың жылдамдығы, тербелмелі толқындық функциялардың қабаттасуына тәуелді болатынын және оның электрондық күйлердің арасындағы энергетикалық аралығы өскен сайын азаятынын айта кеткен жөн. Ішкі жаңғырту үдерісі өткен соң, молекуланың артық тербелмелі энергиясының алмасуы іске асырылады. Себебі, көпатомды молекулаларда тербелістердің жеке модалары арасында өзара әсерлесулері өте үлкен. Бұдан көпатомды молекулалардың жұтылу және сәуле шығару спектрлерінің тұтас сипатқа ие екендігінен көруге болады (1.2-сурет). Тербелмелі релаксацияның уақыты tрел10-12с құрайды.
1.2-сурет. Қозбаған, жұп электронды органикалық молекулалардың төменгі энергетикалық деңгейлерінің жалпы сұлбасы [11]
Сонымен, басында S2 деңгейге дейін қоздырылған молекула, сәулеленусіз өтулер арқылы бірінші қозған электрондық деңгейге S1 оралады. Бұл деңгейден молекула S0 негізгі күйге сәулеленусіз өтуі мүмкін немесе интеркомбинациялық жаңғырту құбылысы арқылы триплетті күйге өтуі мүмкін немесе флуоресценция квантын шығарады. Осы үш құбылыстың өзара бәсекесін қарастырайық.
Флуоресценцияны шығаратын қосындыларда S1S0 өтулерінің жылдамдығы S2S1 жылдамдығымен салыстырғанда баяу жүреді. Бұл, электрондық деңгейлердің номері азайған сайын, екі жақын орналасқан электрондық күйлердің арасындағы энергетикалық арақашықтықтың артуымен түсіндіріледі [12]. Сонымен бірге, екі күйдің тербелмелі деңгейлерінің қабаттасуы да азаяды. Сондықтан сәулеленусіз өтудің жылдамдығы баяулайды және флуоресценцияның өмір сүру уақытымен бірдей реттілікке келеді.
Интеркомбинациялық жаңғырту - бұл синглеттік (триплеттік) электрондық күйден триплетті (синглетті) электрондық күйге сәулеленусіз өту үдерісі. Сәулеленудің қарапайым шарттарында, органикалық молекулалардың триплетті күйлерінің қоныстануына осы үдеріс жауапты. Қоздыратын жарықтың қарқындылығы үлкен болғанда (лазерлік толтыру) S0Т1 өтулері байқалуы мүмкін, бірақ S0Т1 өтудің экстинкция коэффициенті өте аз. Коши ережесі бойынша қалыпты жағдайда электрон спинінің жаңғыртылуы (спиннің бұрылуы) 10-6с уақыт аралығында жүзеге асады. Бұл дегеніміз, 1000 қоздырылған молекуланың ішінен, біреуі ғана триплетті күйге өту арқылы, интеркомбинациялық жаңғырту құбылысына ұшырайды. Сонымен бірге, молекуланың магнитті спин-орбиталдық өзара әрекеттесулердің күшеюі, интеркомбинациялық өтулер және флуоресценцияның сәуле шығару үдерістері араларындағы бәсекелестікке немесе флуоресценцияның толық өшуіне әкеледі.
1.3 Флуоресценцияның негізгі заңдары
Флуоресценция спектрі - зат шығарған жарықтың толқын ұзындығына (толқындық санына немесе жиіліктеріне) тәуелділігін айтамыз.
Люминесценцияның қоздыру спектрі деп, заттың шығарған энергиясының қоздыру толқын ұзындығына (толқындық санына немесе жиілігіне) тәуелділігін айтамыз.
Люминесценция спектрінің қозған жарықтың толқын ұзындығына тәуелсіздігі. Вавилов заңы. Молекулалардың сұйықтың конденсацияланған орталарында фотолюминесценция спектрлері қоздыру жарығының толқын ұзындығына тәуелсіз. Яғни, флуоресценцияның сәуле шығаруы, әрқашанда, төменгі электрондық-тербелмелі деңгейлерден байқалауы арқылы түсіндіріледі [13].
Көпатомды молекулалардың электронды жұтылу спектрлері кең сызықтардың топтамасы болып табылады. Сондықтан зерттелетін заттың флуоресценциясын жұтылу спектрінің кез-келген бөлігімен қоздыруға болады.
Молекулаларды жұтылу жолағындағы жарықпен қоздыру кезінде, молекулалар жоғары электронды деңгейдің әр түрлі тербелмелі денгейлерін қоныстайды. Әр түрлі жұтылу жолақтарында қоздыру кезінде молекула әр түрлі электронды денгейлерге өтеді (1.3-сурет).
1.3-сурет. Вавилов заңы
Екі жағдайда да люминесценция спектрінің қозған жарықтың толқын ұзындығына тәуелділігі байқалуы керек [14]. Бірақ, тәжірибе бұл болжамды растамайды. Тәжірибедегі байқалған шығару спектрінің орналасуы және пішінінің қоздыру толқын ұзындығына тәуелсіздігі - күрделі молекулалар флуоресценциясының механизмін түсінуге жол береді.
Жарықтың үлкен кванттарымен қоздырғанда молекулалар S0 күйден S2, S3 және басқа күйлерге өтеді. Осы барлық күйлерден өткенде флуоресценцияның спектрі өзгеріссіз болуына байланысты, сәулеленіп өтулер бір ғана деңгейден байқалады деп есептеуге болады. Мұндай деңгей ретінде сұлбада S1 деңгейі көрсетілген.
Бұл үдерісте қоздыру энергиясының артық мөлшері тербелмелі энергияға айналады. Суретте S2-- S1 және S3-- S1 өтулер сәулеленусіз (толқындық белгілерімен) жүзеге асады. Себебі, S2 және S3 күйлерін қоздыру кезінде жаңа сәулелену сызығы байқалмайды. Осындай өту уақыты өте аз ~10ˉ12- 10ˉ13с.
Флуоресценцияның сәуле шығару жолақтарының пайда болуы - жұтылу жолақтарының пайда болуына ұқсас. Қозған күйдегі лезде болатын тербелмелі релаксация, барлық молекулаларды S1 күйдің төменгі тербелмелі деңгейлеріне шоғырландырады. S1S0 өтулерде осы деңгейлер бастапқы деңгейлер болып табылады.
Өтулер ықтималдылығы тербелмелі толқындық функциялардың, күй тығыздықтарының және т.б. қабаттасуларының күрделі функциясы болып табылады. Сәулеленіп өтулер үшін Эйнштейннің интегралдық коэффициенті мына қатынас арқылы анықталады:
(2)
мұндағы - жеке электрондық-тербелмелі өтулердің ықтималдылығы (өлшем бірлігі с-1), және - күйлердің тығыздығы, - электрондардың қозған күйінің тербелмелі деңгейлері бойынша таралуы. Флуоресценциялық деңгейдің сәуле шығаруының өмір сүру уақыты мынаған тең (өлшем бірлігі секунда). Мұнда сәулеленусіз өтулер ескерілмейді. Қоздырылғаннан кейін, синглеттік күйдің сәулелену дезактивациясының негізгі кинетикалық теңдеуі, формальды кинетика теңдеулері негізінде былай жазылады:
(3)
мұндағы: - синглетті күйге қозған молекулалардың концентрациясы, - флуоресценцияны шығарудың мономолекулалық үдерісінің жылдамдық тұрақтысы.- флуоресценцияның шығу уақыты; - өту жылдамдығы.
Стокс-Ломмель заңы. Молекулалық люминесценцияның маңызды заңдылығы - жұтылу спектрі мен люминесценцияның өзара бірдей орналасуы. Қоздырушы жарық жиілігі әрқашан люминесценция жиілігіне тең немесе үлкен.
Көп уақыт бойы бұл тәуелділік Стокс ережесімен сипатталады деп есептеліп келді.
Жарықтың молекуламен жұтылуы және шығарылуы кезінде электронды және тербелмелі энергияларының өзгеруі байқалады. Сондықтан люминесценция және қоздыру жиіліктері молекуланың энергиясымен анықталады.
Стокс: заттың фотолюминесценция спектрі жұтылған жарықтың спектріне қарағанда ұзын толқындар аумағына ығысқан, яғни hжhf.
Ломмель: фотолюминесценция спектрінің максимумы жұтылу максимумымен салыстырғанда әрқашан ұзын толқындар аумағына ығысқан.
Антистокстық қоздыру кезінде, керісінше, заттың фотолюминесценция спектрі жұтылған жарықтың спектріне қарағанда қысқа толқындар аумағына ығысқан.
Люминесценцияның шығуы. Фотолюминесценция қозған жарықтың энергиясын жұту нәтижесінде пайда болады. Бірақ оның тек бір бөлігі ғана люминесценцияның энергиясына айналады. Бұл үдерістің сипаттамасы люминесценцияның шығуы деп аталады. Люминесценцияның шығуы энергетикалық және кванттық деп бөлінеді.
Люминесценцияның энергетикалық шығуы деп - люминесценция шығарған (шашыратқан) энергияның жарықтың жұтылған энергиясына қатынасын айтады.
(4)
Люминесценцңяның энергетикалық шығуының қоздырылатын жарық толқынының ұзындығына тәуелділігі Вавилов заңына бағынады, ол коздырылатын жарық толқынының ұзындығының өсуімен әуелі, толқын ұзындығына пропорционал өсіп, ең жоғарғы мәнге жетеді, сосын күрт төмендейді (1.4-сурет).
1.4-сурет. Заттың энергетикалық және квантық шығуының қозған жарық сәулесінің толқын ұзындығына тәуелділігі
Люминесценцияның кванттық шығуы деп - шығарылған кванттар санының жұтылған кванттар санына қатынасын айтады:
(5)
Екі шаманың арасындағы қатынасты орнату жеңіл. Люминесценцияның кванттық шығуы коздырылатын жарық толқынының ұзындығының өсуімен бірінші уақытта, өзгермейді сосын күрт төмендейді (6-сурет).
Вавилов заңы. Вавилов люминесценцияның энергетикалық шығуы қозған жарықтың толқын ұзындығына тәуелді екенін дәлелдеді. Сәйкесінше, люминесценцияның энергетикалық шығуы басында қозған жарықтың толқын ұзындығына тура пропорционал өседі, сосын белгілі толқын ұзындығы интервалында тұрақты болады да, жалғасында лезде түседі. Бұл тәуелділіктің жалпы сипаттамасы Вавилов заңы деп аталады. Бұл заңға сәйкес, әрбір заттың белгілі бір шектелген толқын ұзындығы болады, сол шектен асқанда люминесценцияның шығуы бәсеңдейді.
Флуоресценттік өлшеулердің барлық түрлерінде флуоресценцияның салыстырмалы кванттық шығуын жоғары дәлдікпен анықтауға болады. Абсолютты кванттық шығу бірнеше зертханаларда жеткілікті дәлдікпен анықталған және басқа қосылыстардың кванттық шығуын есептегенде эталон ретінде қолдануға болады. Мысалы, ерітінділерде концентрация және оттегі көмегімен сөндіру құбылысы болмағанда, флуоресцеиннің судағы ерітіндісінің РН=9,6 кванттық шығуы f=0,92 мен эозин f = 0,16 шамалары стандарт ретінде жиі қолданылады (1-кесте).
Егер берілген қосылыстың ерітіндісінің қарқындылығын I0 монохроматты жарық шоғымен қоздырсақ, онда флуоресценцияның толық қарқындылығын былай жазуға болады:
(6)
мұндағы - қосылыстың молярлық экстинкция коэффициенті; С - ерітіндінің концентрациясы; l (см) - жұту қабатының қалыңдығы; f - флуоресценцияның кванттық шығуы.
1-кесте
Оптикалық тығыздыққа байланысты флуоресценцияның кванттық шығуын анықтаудағы салыстырмалы қателігі
Оптикалық тығыздық
Қателік,
%
Оптикалық тығыздық
Қателік,
%
0,01
0,5
0,06
3,0
0,02
1,0
0,07
3,4
0,03
1,5
0,08
3,9
0,04
2,0
0,09
4,4
0,05
2,5
0,1
5,0
Түскен жарықтың бір бөлігі ғана жұтылса, қоспалы ерітінділер үшін (23, Сl0,02)теңдеу мына өрнекке түрленеді:
(7)
екенін және де қатарға жіктелетінін ескере отырып, көрсеткіші бірден жоғары болатын қалдық қосындылар бойынша қателікті есептеуге болады [14].
Егер қалыңдықтары бірдей кюветаларда флуоресценцияның салыстырмалы қарқындылығы монохроматты жарық шоғымен қоздырылса, онда зерттелетін қосылыстың флуоресценциясының кванттық шығуын келесі формула бойынша есептеуге болады:
(8)
мұндағы (f)1 - стандартты қосылыс флуоресценциясының квантық шығуы, 1 мен 2 индекстер арқылы стандартты және зерттелетін қосылыстардың шамалары берілген. Ертіндіде флуоресценция кванттары барлық бағытта шығарылады, сондықтан фотокөбейткішке олардың жалпы санынан тек шамалы үлесі ғана түседі. Стандартты және зерттелетін ерітінділер концентрациясы аз болса (Сl0,02), реабсорбция ескерілмейді, үлесі екі ерітінді үшін де бірдей болады және зерттелетін ерітінділерден бір секунд ішінде шығарылатын кванттар санының қатынасы аудандардың қатынасына пропорционал (If)2(If)1.
Айналық симметрия ережесі. Кейбір заттар үшін жұтылу мен сәуле шығару спектрлері арасындағы айналық симметриясы байқалады. Бұл құбылысты алғаш рет В.Л. Левшин тәжірибе жүзінде анықтады және теориясын ұсынды.
В.Л. Левшин: Егер ордината осі бойымен заттың жұтылу коэффициентін және кванттық қарқындылығын белгілесек, ал абцисса осі бойымен жиіліктерді (немесе толқын ұзындықтарын) белгілесек, онда сәулелену және жұтылу спектрлері абцисса осіне перпендикуляр ν0 нүктесінде қиылысқан (спектрлердің қиылысатын нүктесі) түзу сызығына симметриялы болады.
Айналық симметрия заңы былай тұжырымдалады: егер ордината осі бойынша заттың жұтылу коэффициентін (жұтылу спектрлері үшін) және кванттық қарқындылығын (флуоресценция спектрі үшін) белгілесек, ал абцисса осі бойынша жиіліктерді белгілесек, онда жұтылу және сәуле шығару спектрлері, олардың қиылысу нүктесінен өтетін және абцисса осіне перпендикуляр болатын түзу сызыққа қарағанда симметриясы байқалады.
Айналық симметрия ережесі математикалық түрде былай жазылады:
(9)
мұндағы - жұтылған жарықтың жиілігі, - флуоресценция спектріндегі симметриялық жиілік, - екі спектрдің қиылысу нүктесінен өтетін симметрия сызығының жиілігі. (9) өрнекті мына түрде түрлендіруге болады.
(10)
(10) өрнектен, айналық симметрия ережесі орындалғанда, мен арасында сызықтық тәуелділік байқалады. Егер ордината осі бойынша шамасын, ал абцисса осі бойынша шамасын (-дың орнына) белгілесек, графикте тангенстің иілу бұрышы 2-ге тең болатын түзу сызық алынады. Бұл тәуелділік жұтылу және люминесценция спектрлері арасындағы айналық симметрия ережесін тексерудің жеңіл тәсілі болып табылады [15].
Жұтылу мен сәуле шығарудың айналық симметрия ережесі орындалуы үшін, симметрияның екі түрі қажет: жиіліктер симметриясы және жиіліктердегі қарқындылықтар симметриясы (1.5-сурет).
1.5-сурет. 1 - родамин 6Ж, 2 - флуоресцеин, 3 - трипафлавин бояғыштарының судағы ерітіндісінің жұтылу және люминесценция спектрлерінің айналық симмериясын тексеру
Жиіліктер симметриясының орындалуы үшін қажетті шарт: негізгі және қозған электрондық күйлердің тербелмелі деңгейлерінің тепе-теңдігі және симметрия сызығы жиілігінің электрондық өту жиілігіне тең болуы. 8-суретте органикалық молекуланың жұтылу (а) және сәуле шығару спектріндегі жиіліктер симметриясының пайда болуы (б) мен симметрияның орындалмайтынын сипаттайтын энергетикалық деңгейлердің жүйесі мен олардың арасындағы өтулер көрсетілген. 1.6 (а)-суреттте көрініп тұрғандай, екі электрондық күйдің тербелмелі деңгейлерінің тең болуы сызықтар саны бойынша симметрияны қамтамасыз етеді, ал жоғары және төменгі электрондық күйлердің тербелмелі жиіліктерінің айырымы симметрия жиілігіне қатысты симметрияны қамтамасыз етеді [16]. 1.6 (б)-суретте жоғары және төменгі күйлердегі тербелмелі деңгейлердің санының тең емес екендігін және сәйкес тербелмелі деңгейлер арасындағы арақашықтықтар теңсіздігі байқалатын молекуланың жүйесі көрсетіледі.
Қарқындылық симметриясы орындалуы үшін екі шарт болуы қажет: біріншіден, негізгі және қозған электрондық деңгейлердің тербелмелі деңгейлері бойынша молекулалар тепе-тең таралулары қажет, екіншіден, жұту және сәуле шығару үдерістерінің ықтималдықтарының пропорционалдылығы болу керек.
а) б)
1.6-сурет. Молекулалардың жұтылу және люминесценция спектрлеріндегі жиіліктер симметрияның орындалуы (а) және орындалмауы (б)
Талдау көрсеткендей, негізгі және қозған электрондық күйлердің тербелмелі толқындық функциялары тең болған жағдайда, электрондық-тербелмелі өтулердің матрицалық элементтерінің теңдігі байқалады:
(11)
Бұл қатынас Левшиннің айналық симметрия ережесі деп аталады. 1.7-суретте эозиннің судағы ертіндісінің спектрі, мысал ретінде келтірілген. Электрондық - тербелмелі өтулердің теориясы негізінде флуорес-ценцияның негізгі ережелері мен заңдарын тұжырымдауға болады.
*1012 , с[-1]
I4,
Люм.
Жұт.
0
1.7-сурет. Эозиннің жұтылу (1) және люминесценция (2) спектрлеріндегі Стокс-Ломмель заңы мен айналық симметрия ережесінің орындалуы [17]
Мұндай шарттарда, күрделі молекулалардың люминесценция спектрлеріндегі энергияның таралуы, Кирхгоф заңымен сипатталатын, молекулалардың жылулық сәуле шығару спектріндегі энергияның таралуымен сәйкес келуі керек.
Жұтылу және люминесценция спектрлері арасындағы Степановтың әмбебап қатынасы. Степанов, жалпы термодинамикалық түсініктер негізінде, мынандай қатынас алды:
(12)
мұндағы I және - жиіліктегі люминесценцияның қуаты мен жұтылу коэффициенті, D(Т) - қоздыру шартына және температураға тәуелді, тұрақты шама. (12) қатынас бойынша, жұту және люминесценция актілері арасында ( өмір сүру уақытынан қысқа уақыт) молекулалық жүйеде қозған электрондық күйдің тепе-тең таралуы қалыптасып үлгереді және ортаның темпера-турасымен анықталады [18].
1.4 Люминесценциялық өлшеулер
Люминесценция және қозу спектрлерін өлшеуді бастамас бұрын спектрофлуориметр құрылғысының монохроматорын толқын ұзындықтары бойынша калибрлеу қажет, яғни спектрдің тіркелетін аймағы мен ыдырайтын элементтің күйін сипаттайтын аспап шкаласының бөліктерін бірдей ету. Осы мақсатта сызықтық спектр көздері қолданылады, көбінесе, гелий-аргонды және сынап шамдары қолданылады [19]. Олардың спектрлері калибрленетін аспапта жазылады. Спектрлер кестесінің көмегімен, жеке барынша қарқынды толқын ұзындықтары (өзі жазғыш құралдың диаграммалық қағазындағы шыңдар) мен аспап шкаласының бөліктері арасындағы тәуелділігі орнатылады.
Люминесценциялық өлшеулердің калибрі мен түзетулері.Аспап шкаласында бақыланатын және шын толқын ұзындығы арасындағы айырмашылық - түзету коэффициенті болып табылады. Ол коэффициент шкалада алынған мәнді толқын ұзындығына айналдыру үшін қолданылады. Шкаланың қателіктерін жою үшін толқын ұзындықтарын сканирлеу (көшіріп алу) бір бағытта жүргізіледі. Калибрлеуді спектрофлуориметрдің қоздыру жарығының монохроматорымен қоса, тіркейтін монохроматоры үшін де жүргізеді [20].
Спектрлік қателіктердің болуына өзі жазғыш құралының себепкер болуы мүмкін екендігін ескерген жөн. Сол үшін спектрофлуориметрдің дисперсиялық қисығын спектрді жазудың әр түрлі жылдамдықтарында алады.
Қозу жарығы спектрлерінің түзетулері. Көпшілік флуориметрдің көмегімен алынған қозу және люминесценция спектрлері жақын орналасқан. Зерттеліп отырған заттардың шын спектрлерін орнату үшін аспапта тікелей алынған спектрлерге түзету жұмыстарын жүргізу қажет. Қозу спектрі келесі көріністе өлшенеді: спектрофлуориметрдің тіркеуші монохроматорын флуоресценция спектрінің максимумына сәйкес толқын ұзындығына орнатылады. Содан соң, монохроматордың ыдыраушы элементін толқын ұзындықтарының нақты аймағында сканирлейді және флуоресценция қарқындылығының өзгерісін жазып отырады. Тәжірибеде заттың қозу спектрі жұтылу спектріне сай келмейді [21]. Мысал ретінде, 28-суретте 0,05 М H2SO4-тегі хинин күкірт-қышқылының ерітіндісінің люминесценция спектрінің қозуы келтірілген.
Тіркелетін қозу спектріне түзетулерді жүргізу үшін қозатын жарық қарқындылығының (монохроматордан кейін) толқын ұзындығына тәуелділігінІ(λ) орнату керек. Бұл тәуелділікті орнатудың бірнеше әдісі болады.
1.Химиялық актинометрия әдісі. Ерітінді-реагентті спектрофотометр ұяшығына орнатып, t уақытқа сәулелендіріледі. Ерітінді-реагент бізге керекті толқын ұзындығындағы жарықты жұтып, нәтижесінде қандай да бір фотоөнімді қалыптастырады. t уақыт ішінде пайда болатын, өнімнің n молекулалар саны аналитикалық тұрғыдан анықталады. Өнімнің кванттық шығысы белгілі және оны Фө-ға тең. Бұл жағдайда, ұяшықтың алдыңғы бөлігіне түсетін жарық ағынының қарқындылығын келесідей анықтауға болады [22].
І=n[Фө1-10-eAl] (13)
Мұндағы А - реагент мөлшері, e - экстинкция коэффициенті, l - зат қабатының қалыңдығы. Химиялық актинометрлер, көбінесе, жарықтың УК аймағындағы абсолютты қарқындылығын анықтау үшін қолданылады. Қозатын жарықтың қарқындылығын анықтауға арналған, бұл әдіс күрделі әрі көп уақытты талап етеді. Сондықтан, ол кең қолданысқа түсе қойған жоқ.. Суреттен көріп тұрғанымыздай, күкірт-қышқылды хинин ерітіндісінің қозу спектрінде (1.8-сурет) жұтылу спектрімен салыстырғанда (2-қисық) 350 нм-де максимумы болмайды.
1.8-сурет. 0,05 М H2SO4-тегі хинин ерітіндісінің қозу және жұтылу спектрлері
Бұл келесідей түсіндіріледі: 1) қоздырғыш жарық көзі қарқындылығының толқын ұзындығына тәуелділігімен, 2) монохроматордың дифракциялық торларының біркелкі шағылдырмауымен. Мысалы, кәдімгі дифрациялық тор 200 нм толқын ұзындығының тек 50%-ын шағылдырса, 400 нм-де 80% шағылдырады [23].
2.Жарық қарқындылығын термоэлементтер көмегімен өлшеу. Өлшеудің бұл әдісі жарық қарқындылығын толқын ұзындығының кең аймағында анықтауға мүмкіндік береді (УК, көріну аймағы). Ол өте қарапайым және эффективті болып табылады. Бірақ, термопара мен термоЭҚК өлшеуішін бір мезгілде қолдануды талап етеді (не гальванометрді). Термоэлемент-өлшегіш жүйесін стандартты жарықтандыру көздерімен калибрлеуге болады [24].
Жарықтың қарқындылығын калибрленген фотоэлемент немесе ФЭК (фотоэлектронды көбейткіш) көмегімен өлшеуге болады.
Кванттардың флуоресценциялық көздерін қолдану. Бұл әдіс кең қолданысқа ие (ол көптеген өнеркәсіп орындарындағы спектрофлуориметрлерде люминесценцияның қозу спектрлеріне түзетулер жүргізу үшін қолданылады). Кванттар санағыштары Вавиловтың люминесценцияның кванттық шығысының қоздыратын жарықтың толқын ұзындығына тәуелсіздік заңына негізделген. Квант санағыш (1.9-сурет) (К) үшбұрышты кюветалар мен фотоэлементтен (ФЭ) тұрады. Кюветада көп мөлшерлі ерітінді (көбіне, ол этиленгликольдегі родамин Б) болады. Тускен жарық толқын ұзындықтарының барлық аймағында жұқа қабықпен жұтылуы үшін бояғыш мөлшері көп болуы керек [25-29]. Бояғыштың көп мөлшерінде ерітінді жұту сүзгінің рөлін атқарады және қоздыратын жарықтың өту тереңдігіне тәуелсіз, ФЭ бірдей жолақтарды тіркейді. Квант санағыштары, алғаш рет, түзетілген қозу спектрлерін тіркейтін спектрофлуориметрлерде қолданылды.
Бұндай спектрофлуориметрде қозатын жарықтың бір бөлігі монохроматордан үлгіге, ал қалған бөлігі жарық ағынын бөлуші рөлін атқаратын (Р) кварц пластинкасынан шағылып, квант санағышына қарай бағытталады (бояғыш ерітіндісі бар К кювета). Сонымен қоса, ФЭ-ден түсетін дабыл К кюветаға түсетін жарық квантының ағынына пропорционал. Үлгі люминесценциясы ФЭК арқылы тіркеледі. ФЭК-дің І1 жұмыс істеу дабылының мәнін І2-нің мәніне нормалау электрондық сұлба көмегімен жүргізіледі. ФЭ-пен зерттеліп отырған заттың қозу спектрінің көрінісі болатын І1І2 қатынасы анықталады [30].
Шынында да, ФЭК-тен келетін дабыл (үлгінің люминесценциясының қарқындылығы) түсетін жарықтың қарқындылығына І0(λ), люминесценцияның кванттық шығысына Вкв және ε экстинкция коэффициентіне пропорционал:
І1(λ)~І0(λ)Вквε(λ) (14)
Квант есептегіштен келетін дабыл шамасы түсетін жарық қарқындылығына пропорционал:
І2(λ)~ І0(λ) (17)
Өзіжазғышта олардың қатынасы тіркеледі:
І1(λ)І2(λ)~ε(λ)Вкв (18)
1.9-сурет. Кванттық санағыш құрылғысы
Қозу жарығының қарқындылығын люминесценцияның қозу спектрімен өзгертілгенін ескергенде, бұл қатынас түзетілген болып саналады.
Люминесценция спектрлерін түзету.Шын спектр алу үшін, қозу спектрі секілді флуоресценция спектріне де, түзетулер енгізу керек. Флуоресценция спектріне монохроматор дисперсиясымен қоса фотоқабылдағыштың сезгіштігі де әсер етеді. Бұл екі параметрлер толқын ұзындығына тәуелді болғандықтан түзетулерді талап етеді.
Барлық жиіліктердегі, бірлік уақыт ішінде шығарылған, люминесценция квантының саны Nкв-ға тең болсын делік, онда ν жиіліктегі люминесценция қарқындылығы dNквdν=Іνлюм-ге тең болады. Іνлюм-ның ν жиілікке тәуелділігі люминесценцияның шын спектрін анықтайды. ν жиіліктегі Іνлюм люминесценция қарқындылығын тіркеу кезінде, ФЭК-тен келетін электрлік дабыл (өзі жазғыш қаламының ауытқуы) келесіге тең:
Аν=Ілюмν(Рν∆νLν)=Ілюмνkν (15)
мұндағы Рν - ФЭК-тің қатыстық кванттық эффективтілігі, ∆ν - спектрдің қатыстық ені, Lν - тіркегіш монохроматордан өтетін жарық бөлігі. Люминесценцияның шын спектрін тәжірибелік қисықтың ординаталарын kνшамасына бөлу арқылы табуға болады. kν шамасы -тіркегіш жүйенің спектрлік сезгіштігі (түзету коэффициенті) болып табылады. Флуоресценция спектрінің түзету коэффициентін бірнеше әдістермен орнатуға болады [31].
1.Флуоресценцияланатын ерітінді әдісі. Ол әдіс спектрофлуориметрдің түзету коэффициентін анықтауға негізделген. Ол зерттеліп отырған заттың градуирленген аспап пен эталондық аспапта алынған флуоресценция спектрлерін салыстыру арқылы жүзеге асырылады.
2.Қоздыру көзі болып табылатын жарықтың шағылуына негізделген әдіс. Бұл жағдайда түзету коэффициенті біріншісінде, квант санағыштан алынған, екіншісінде, қоздыру көзінен тікелей алынған қарқындалықтарды салыстыру арқылы анықталады. Бірінші аспаптың кюветалық бөліміне кванттар санағышы (этиленгликольдегі родамин Б ерітіндісі) орнатылады. Тіркегіш монохроматор кванттар санағышының (бояғыштың) люминесценция спектрінің максимумына сай келетін толқын ұзындығына орнатылады. Қозу монохроматорын көшіріп алғаннан кейін, кванттар санағышының люминесценция спектрі жазылады. Ол шам жарығының қарқындылығының І0(ν) қатыстылық бірліктеріндегі жиілікке тәуелділігі болып табылады. Содан кейін квант санағышыі алынып, диффузиялық пластинка көмегімен шамның сәулеленуін тіркегіш монохроматорға тікелей бағыттайды (диффузиялық пластинка - магний қышқылымен қапталған кварцтық төсеме - селективті шағылдырғыш қасиеті бар айна орнына қолданылады). Екі монохроматорды бір уақытта көшіріп алу (сканирлеу) арқылы І(ν) шам сәулеленуінің түзетілген спектрі жазылады. І(ν)І0(ν) қатынасы арқылы қондырғының kν сезгіштігі алынады.
3.Эталондық шам әдісі.Бұл әдіс тәжірибеде кең қолданысқа ие. Эталондық лампа ретінде белгілі түстік температурасы (Түстік температура - ол оның энергиясының спектр бойынша орналасуы шам энергиясының спектрі бойынша орналасуына сай келгендегі абсолютті қара дененің температурасы [10]) бар вольрамды қыздыру шамы (мысалы, СИ-15) қолданылады. Түстік температураны біле отырып, Планк формуласымен Іэт шам сәулеленуінің спектр бойынша орналасуын білуге болады.
Спектрофлуориметрдің қабылдау бөліміндегі сезгіштігін диффузиялық шағылдырғыш экран көмегімен анықтау үшін монохроматорлық тіркегіш саңылауын вольфрам шамымен жарықтандырылады. Градуирлеу кезінде эталон шамынан өтетін ток тұрақтылығын үнемі қадағалап отыру керек (оның өзгеруі кезінде түстік температура да өзгереді). Спектрофлуориметрдің тіркегіш жүйесін қолдану арқылы эталондық шам қарқындылығының толқын ұзындығына Ібақылау(λ) тәуелділігі жазылады. Тіркегіш жүйенің сезгіштігі келесі қатынастан анықталады:
K(λ)=Iбақылау(λ)Iэт(λ) (16)
Түзетілген спектр Iлюмшын өлшенген шаманы Iлюмөлшкоэффициентіне бөлу арқылы алынады.
Эталондық шамдардың калибрленген мәндері, әдетте, энергия бірліктерінің толқын ұзындықтарының бірлік интервалында көрініс табады. Кей кездері спектрлерді толқындық сан (ν=1λ) шкаласында көрсеткен жөн болады. Бұл ауысу екі бөлімнен тұрады. Бірінші энергетикалық бірліктердің калибрлік мәндерін кванттық мәнге айналдырады. Ол үшін Іэт(λ)-ді сәйкес толқын ұзындығына көбейтеді. Содан соң, Іэт(λ)=∆І∆λ болғандықтан ∆λ интервалын ∆ν интервалына айналдыру керек:
ṽ=1λ, ∆ṽ=-1λ2∆λ (17)
Сәйкесінше, толқын ұзындығы ұлғайған сайын ∆λ-і λ2-на пропорционал түрде азаяды. Сол үшін толқындық сан шкаласына өту үшін Іэт мәнін λ2-ге көбейту керек. Осыны ескере отырып, толқындық сан шкаласында тіркегіш жүйенің сезгіштігі келесіге тең:
К(ṽ,λ)=Ібақылау(λṽ)λ2Іэт(λ) (18)
1.10-суретте қондырғының спектрлік сезгіштігінің спектрі көрсетілген (максимумы анық көрсетілген енді жолақ).
1.10-сурет. К сезгіштік коэффициентінің толқын ұзындығына тәуелділік графигі
Флуоресценция спектрлерін тәжірибеде түзеу. Флуориметрдің барлық жүйесінің сезгіштігі толқын ұзындығына байланысты болғандықтан, бақыланған спектрлерді түзеу қажет және спектрлік сезгіштік қисығын пайдалана отырып, флуоресценцияның шын спектрін құру қажет. Флуоресценция спектрлерін өлшеу үшін қондырғыны толқын ұзындықтары бойынша өлшеу қажет. Ол үшін монохроматордың кіру саңылауын, сызықтық спектрге ие және толқын ұзындықтары белгілі жарық көзімен жарықтандырылады. Мұндай жарық көзі ретінде сынап шамы пайдаланылады. Оның спектрлік сызықтары көріну ауданы үшін 2-кестеде келтірілген. Тәжірибеде сынап шамының сәуле шығару спектрін іздеу мен талдау жүргізіледі және оның жеке сызықтарының толқын ұзындықтары мен барабан бөліктерінің арасындағы тәуелділік орнатылады. Осы мәліметтер бойынша, қондырғының дисперсиялық қисығы тұрғызылады.
2-кесте
Сынап шамының спектрлік сызықтары
Түстер
Толқын ұзындықтар, нм
Қарқындылық
Түстер
Толқын ұзындықтаp, нм
Қарқын
дылық
Күлгін
404,6
407,7
жарық
әлсіз
Жасыл
535,4
546,0
567,5
әлсіз
жарық
әлсіз
Көк
433,9
434,7
435,8
әлсіз
әлсіз
жарық
Сары
576,9
580,3
589,0
Жарық
жарық
әлсіз
Көк-жасыл
491,6
486,0
жарық
әлсіз
Қызыл
623,0
орташа
Заттар люминесценцияларының шын спектрін анықтау үшін көріну спектрінің әр түрлі толқын ұзындықтарына байланысты, қондырғының сезгіштігіне өлшемдер жүргізу қажет. Бұл өлшеулердің физикалық негізі ... жалғасы
Сіз бұл жұмысты біздің қосымшамыз арқылы толығымен тегін көре аласыз.
Кіріспе
7
1
Органикалық молекулалардың фотоникасы
10
1.1
Люминесценцияның түрлері
11
1.2
Энергетикалық деңгейлерінің диаграммасы
13
1.3
Флуоресценцияның негізгі заңдары
15
1.4
Люминесценциялық өлшеулер
2
Сәуленің жұтылу және сәуле шығару спектрлерін тіркейтін құрылғылар
23
31
2.1
SPEKOL 1500 спектрофотометрі
31
2.2
Сәуле шығару флуоресценциясының спектрлері мен қоздыру спектрлерін тіркейтің аспап
32
3
Люминесценция дабылын тіркеу жүйесі
35
3.1
Дабылдарды тіркеу жүйесініңблок-сұлбасы
35
3.2
Бағдармалалық қамтамасыз етуі
37
3.3
Дабылдарды тіркеу жүйесінің құрылымдық сұлбасы
42
3.4
Дабылдарды тіркеу жүйесінің электрондық схемасы
45
Қорытынды
58
Пайдаланылған әдебиеттер тізімі
61
Қосымша
63
Кіріспе
Люминесценциялық өлшеудің екі түрі бар, импульсті және жұмыста көрсетілгендей фазамодуляциялық әдісі. Импульсті әдісінде үлгі жалғыз импульсті немесе жеткілікті қуатты жарық импульсінің артқы тізбекті сериясы сәулеленеді. Фазамодуляциялық әдісте стационарлық сәуле көзі пайдаланылады.
Импульстік әдістер кез келген өшу мәніндегі люминесценция сипатының кинетикасын зерттеуге мүмкіндік береді. Фазомодуляциялық әдістері люминесценцияның өшу мәнізаңыныңтүріналдын-ала болжауға және тек сандық параметрлерінің экспериментальды мәнінанықтайды, бұл жағдайда фаза және амплитуда мәні.Болжамды заңның дұрыстығын тексеру ерекше зерттеуді қажет етеді.
Молекулалық фосфоресценцияның кинетикалық сәулеленуі кезінде, әдетте сипатталатын өшу мәнінің уақыт диапазоны 10-7 - 10 с, бұл мән әдетте импульстік әдістерде пайдаланылады. Флуоресценцияның 10-12 - 10-7 пикосекундты және наносекундты диапазонында зерттеу үшін импульсті фазамодуляциялық әдістері пайдаланады.
Люминесценттіәдістерінпайдалану диагностика және жоғары технологиялық материалдар мен жаңа заттардың [1] жоғарғыфарматты тәсілдерініңбірі болып табылады.Люминесцентті әдістері тек жоғары сезімталдыққа ие және қозған молекула күйінің, фотохимиялық реакциялардың, жылдам молекулалық динамикасы процестерінің, құрылымы мен қасиеттерінің күрделі физикалық, химиялық және биологиялық сәулеленуіне мүмкіндік береді.
Люминесценция флуоресценция (бірдей мультиплетті күй арасындағы электронды көшу нәтижесінде жарық квантының сәулеленуі) және фосфоресценция (әртүрлі мультиплеттілік арасындағы сәулелену) сондай-ақ, ұзақ люминесценция (ҰЛ) деп аталады. Ұзақ люминесценцияға сондай-ақ жеке жағдайы флуоресценция - баяу флуоресценция жатады. Баяу флуоресценция тез флуоресценциядан спектральды айырмашылығы жоқ, алайда оның өшу мәндері,орта уақытты өмірі синглетті жай-күйі мен салыстыруға уақыт өте келе фосфоресценциядан айтарлықтай көп.
Люминесценттік өлшеу кезінделюминесценцияның өшу мәнінің уақытын өлшеуге тура келеді (қозған күйінде молекуласы қалады, өзінің негізгі жағдайына оралу уақыты). Бұл түсіндіріледі, осы ішкі және молекуларалық өтетін процестерді шамасын ауыстырғаннан кейін молекулалардың қозған күйі деректерді табуға болады.Өшу мәнінің люминесценциясызаңындәл білу өзара іс-қимыл туралы флуоресценциялаушы молекулалар, оның қоршаған ортамен және болып жатқан процестерге ішіндегі молекулалардың [2] егжей-тегжейлі ақпаратынбере алады.
Осыған байланысты, бұл ҰЛ шағын кванттық шығысты және шағын ұзақтығы объектілерді, қажет тіркеу құрылғылары жоғары сезімталдығы және уақытша рұқсат беретін қасиеттердісипаттайды. Осы шарттардықанағаттандыратынәдістерді ңбірікең таралған фотондар саны әдісі болып табылады. мұнда қолданылатын және бұдан әрі тарихи қалыптасқан "фотондар саны" термині фотоэлектрондағыәсерұшып фотокатод фотоэлектрондықтыңкөбейткішіне бірлі-жарым кванта өріске негізделген сәулелену деп болжайды. Алайда, бұл интерпретация физикалық үдерісінің мәнін фотодетекциялау өте оңайлатылған болып табылады. Бұл термин "фотондар саны" жалпыға тән болып табылады, сондықтан ол аталған жұмыс үшін белгілер әдісі тіркеу негізделген түрлендіру, жарықтың дәйектілігі электр серпінібірэлектронды фотоқабылдағыш [3] үшін пайдаланылады.
Дамытудың негізгі бағыты өлшеу техникасын зерттеуде заттардың люминесценттік қасиеттерін автоматтандыру пайдалана отырып, дербес компьютерлер (ДК) үшін пайдаланылады басқару, ақпаратты жинау және өңдеу болып табылады. Жұптастыру өлшеу құрылғыларын ДК жылдамдығынайтарлықтай арттырады,өлшеу дәлдігі жеңілдетеді, эксперимент жүргізуге, сондай-ақ бастапқы деректерді өңдеу [3] жүргізуге мүмкіндік береді.
Тағы бір маңызды мәселе автоматтандыру процесібөліктерін сапалы, функционалдық қамтамасыз ету бағдарламалыққұру болып табылады. Бұл ретте соңғы орында қойылатын талаптар ыңғайлылығы пайдаланушы интерфейсі және жоғары жылдамдығы жазу және редакциялау бағдарламалық код тұр. Талдау кезінде алға қойылған міндеттерді шешім қабылданды, Microsoft фирмасының Visual Studio 2008 бағдарламалық әзірлеу қамтамасыз етеді.
Орнату кезінде операциялық жүйесі көптеген компоненттері орнатылған қолданбалар компоненттері белгіленетін бағдарлама ауыстырылады, бұл ретте ауыстырылатын компоненттер функционалдығын жоғалтады. Осыған жұмысы тоқтап қалғаны операциялық жүйесінің бұзылуы үйлесімділігін қосымшалар байланысты. Бұл проблема кітапхана динамикалық құрастыру әзірленген Microsoft іске асыру үшін компоненттік бағдарламалау, "Dll hell". Dll - dynamic link library деген атаумен белгілі болды.
Net ортасы құралы ұсынылған Microsoft корпорациясы, проблемаларды шешу үшін, байланысты кітапханалар динамикалық құрастыру кезінде олар ауыстырылады жинамалары .Net болған күннің өзінде өзекті болып табылады. Өрістету пакеттерін қосымшалар жеңілдігі, платформалар үйлесімділік көптеген, мүмкіндігі қондырма қосымшалар .Net арқылы құрастырулар, осы ортаға күшті құралы үшін қосымшаларды әзірлеужасайды.
Жеделдету үшін деректерді бейнелеу үшін, жұмыс терезе және түсіру орталық процессорлық құрылғы мен басқа пайдалы процестер үдеу графиктері, мысалы, кітапхана Managed DirectX үшін арнайы әзірленген қоршаған орындау уақыты .Net CLR(Common language run-time)бағдарламасы қамтамасыз пайдаланады.
Бұл жұмыстың мақсатылюминесценцияны өлшеу жүйесіңәзірлеу және құру болып табылады.
Жұмыста қойылған келесі міндеттер шешіледі:
- арна дабылдарды тіркеу люминесценциясын әзірлеу және құру;
- тіркеу құрылғылары импульс ҚЭБ әзірлеу және құру;
- (БҚ) жұмысын басқару үшін қондырғы бағдарламалық қамтамасыз ету;
-ПО пакетін құру, орнату үшін.
Зерттеу объектісі люминесценция дабылдарын өлшеу әдістері болып табылады.
Жүйе ретінде тіркеу әдісі ретінде зерттеу пәні болып табылатын дабылдарды тіркеу әдістері қолданылды.
Жобалау әдістері. Ұсынылған әдістемені жобалау, бағдарламалық қамтамасыз ету сипатталған әдебиет [4] пайдаланылды.
Ғылыми жаңалығы:
1. Сандық құрылғыны люминесценция дабылдарды тіркеу үшін әзірленді және құрылды.
2. Құрылған бағдарламалық бағдарламалар платформаға Win32өнімділігі ауыстыруды қамтамасыз ету.Net мақсатында қосымшаларды жобалау эксперименттер жүргізу үшін әзірленген модульдер үшін алдын-ала нәтижелерін өңдеу эксперименті.
Практикалық маңыздылығы. фотопроцесті молекулалық жүйелерде -құрылған сандық құрылғыны эксперименттік орнату бойынша зерделеу,Е. А. Бөкетов атындағы ҚарМУда молекулалық фотоника институтындапайдаланылады.
1 Органикалық молекулалардың фотоникасы
Люминесценция - сыртқы энергия көзі әсерінен денелердің жарық шығару үдерісі. Люминесценция үдерісі кезінде шыққан жарықтың жиілігі оны қоздыру жарық жиілігінен өзгеше болады. Люминесценция құбылысын жарықтың шашырауы, шағылуы және денелердің термодинамикалық тепе-теңдік күйіндегі жылулық сәуле шығаруы тәрізді құбылыстардан ажырату қажет. Денені қыздырғандағы жарық шығарудан бұл бөлек үдеріс, мұнда жылуды шығаратын жүйе энергиясы пайдаланылмайды. Сондықтан да оны "салқын жарық" деп те атайды [5]. Люминесценция электрон қоздырылған күйінен негізгі күйге ауысқанда пайда болады. Люминесценция жарығын шығарған зат кез-келген агрегатты күйде болуы мүмкін. Люминесценция бірнеше классификация бойынша бөлінеді (қоздыру әдісі, ұзақтығы және т.б. бойынша). Мысалы, ұзақтығы бойынша фосфоросценция мен флуоресценция, қоздыру түрі бойынша фото-, радио-, катодолюминесценция және т.б.
Табиғаттағы сәуле шығару құбылыстарының кең тараған түрінің бірі - люминесцения болып табылады. Люминесценция, зат қоздыру энергиясын жұту нәтижесінде, яғни зат бөлшектерінің негізігі күйден қоздырылған электрондық күйге өтіп, негізгі күйге қайтып оралып жарық квантын шығару нәтижесінде пайда болады.
Молекуланың электрондық күйі өзгергенде, әдетте, оның тербелмелі-айналмалы күйлері де өзгереді. Нәтижесінде, люминесценция кванттары - молекуланың электрондық өтулерінің кванттары мен тербелмелі және айналмалы күйінің өзгеруінің кванттары комбинациясын құрайды.
Органикалық бояғыштардың молекулалары қанықпаған көмірсутегінің бір немесе екі байланысы (түйісу тізбегі) түрінде болады. Жұту жолағының орналасуы және электрондық көшу қимасы хромоформен анықталады. Бояғыш молекулалардың қос байланысын қалыптастыруда PI және σ - электрондары қатысады. σ - электрондардың толқындық функциялар байланысы байланыс бағытына қатысты айналмалы симметриялық болып, ал PI - электрондардың толқындық функциялары байланыс перпендикуляр байланыс бағытына және ядро түйініне қатысты айналмалы симметриялық болып табылады. PI - байланыстағы атомдардың энергиясының көпшілігі симметрия орбиталарда PI - электрондар осінің параллель орналасуына сәйкес келеді. PI -байланысының ең жоғары беріктігі және молекуланың ең төменгі еркін энергиясы түйісу тізбегінің тегіс құрылымында орындалады. PI- электрондардың анағұрлым жоғары тығыздығы тізбектер жазықтығына симметриялы жоғары және төмен орналасқан. Тізбекті түйіндес байланыстары бар органикалық молекулалар, олардың кристалдары мен ерітінділерінің қарқынды боялуына әкелетін оптикалық өтулер қимасының (σ ~ 10-16 см2) үлкен шамасына ие.
Молекула жарық жұту кезінде оның энергиясы жұтылған фотон энергиясы hv сәйкес артады. Кванттық теорияға сәйкес жүйенің энергиясы оның ішкі қасиеттерімен анықталады. Бояғыш молекулаларының күрделі құрылымы энергетикалық күйлердің әр түрлілігіне әкеледі. Квант энергиясының жұтылуы кезінде әрбір молекула төмен энергетикалық деңгейден жоғары деңгейге өте алады. Молекуланың толық энергиясы Е электрондық энергия Еэл, тербелістік Етер және айналмалы энергиялардың қосындысымен анықталады Еайн:
Е=Еэл+ Етер + Еайн (1)
Молекулалардың энергетикалық күйлерін қатаң түрде қарастырған кезде электронды-тербелмелі, электронды-айналмалы және тербелмелі-айналмалы энергияларын ескеру қажет.
1.1 Люминесценцияның түрлері
Люминесценция - тепе-теңдіксіз үдеріс, себебі молекула жарық шығарғаннан кейін ұзақ уақыт бойы өзінің қозбаған күйін сақтау мүмкін (немесе молекула қайтадан қозуы мүмкін), яғни молекула жарқырауы мен сыртқы сәулелену өрісі арасындағы тепе-тендікті жалпы жағдайда болжауға болмайды [6].
Нақты жағдайда когерентсіз сәулелену арқылы бір-бірінен тәуелсіз жарық шығаратын молекулалардың үлкен санының бір мезгілде сәулеленуі байқалады. Сонымен қатар, люминесценцияның жарықтың шашырау құбылысынан айырмашылығы - энергияның жұтылуы - сол энергияның жарық шығаруынан пайда болады.
Органикалық және бейорганикалық заттардың көп саны люминесцентік қабілетіне ие және қасиеттері бірдей болмауы мүмкін [7]. Осы айырмашылықтар люминесценция құбылысының классификациясының қажеттілігін тудырады.
Бірінші классификацияға сәулелену үдерісінің ұзақтығы жатады. Мұндай классификацияның нәтижесінде люминесценция үлкен екі класқа бөлінеді: флуоресценция және фосфоресценция. Флуоресценция қоздырылған жарық импульсімен қатар сөнетін сәулелену (~10ˉ9с); фосфоресценция қоздырылған жарық өшкеннен кейін байқалатын үдеріс (10ˉ6с) [7].
Екінші классификация бойынша, люминесценция қоздыру әдісінің түрлеріне бөлінген. Жарық фотондарымен қоздыру - фотолюминесценция деп аталды. Электрондық сәулелермен қоздырылған сәулелену - катодолюминесценция деп аталды. Радиолюминесценция радиоактивті ыдырау нәтижесінде пайда болады. Электр өрісімен қоздырылатын сәулелену - электролюминесценция деп аталады. Люминесценцияның басқа түрлері де болады. Ол хемилюминесценция, химиялық реакция нәтижесіндегі сәулелену. Қазіргі уақытта электролюминесценция жақсы дамуда.
Үшінші классификация, С.И. Вавилов ұсынуымен, люминесценцияның кинетикасы бойынша резонанстық, өздігінен, мәжбүрленген және рекомбинациялық болып бөлінеді [8].
Резонанстық флуоресценция деп, сәулелену фотондарының энергиясы жұтылған фотондар энергиясына тең кездегі жағдай аталады. Резонанстық флуоресценция булар мен газдардың атомдарында және қарапайым моле-кулаларда байқалады. Резонанстық флуоресценция негізінде атомдық флуоресценция құбылысы жатыр.
Өздігінен люминесценция құбылысында қоздырылғаннан кейін молекула Е0 қозбаған деңгейден Е1 жоғары қозған электрондық деңгейге өтеді, содан молекула сәулеленбей төмен Е2 қозған деңгейге өтеді (1.1-сурет). Негізгі Е0 деңгейге жарық кванттын шығарып өтеді. Өздігінен люминесценцияда шығарылған квант энергиясы жұтылған квант энергиясынан кіші болады. Өздігінен болатын люминесценция газда және күрделі молекула ерітінділерінде, молекулалық кристалдарда, сонымен қатар, қоспалық қатты заттарда байқалады.
1.1-сурет. Люминесценция түрлері: а) атомдық; б) өздігінен; в) мәжбүрленген [8]
Резонансты және өздігінен люминесценция кезінде молекулалардың қозған күйден негізгі күйге өту ықтималдылығы температураға тәуелсіз және оның ішкі қасиеттерімен анықталады.
Мәжбүрленген люминесценция күрделі жолмен өтеді. Мәжбүрленген люминесценцияның негізі атомдық жүйелердегі (атомдарда, иондарда, молекулаларда) кванттық өтулер кезінде пайда болатын еріксіз сәуле шығару құбылысына негізделген. Оның сұлбасында Е0, Е1, Е2 деңгейлерінен басқа М метатұрақты деңгейі қосылған және осы денгейден Е0 деңгейіне тікелей өтуге тиым салынған. Молекула Е0 деңгейден Е1 деңгейге өтеді де, сәулеленусіз Е2 деңгейге өтуі мүмкін, содан М деңгейге өтеді. М денгейде молекуланың люминесценциясы температураға тәуелді болады. Люминесценцияның осы түрі төмен температураларда және сұйық ортадағы күрделі органикалық молекулаларда тіркеледі.
Өздігінен және мәжбүрленген люминесценция, көбінесе, молекулалық жүйені сипаттайды. Сондықтан сәулеленудің мұндай түрлері молекулалық люминесценция түсінігі бойынша біріктіріледі. Рекомбинациялық люминесценцияның сипаттамалары күрделі. Екі кері таңбалы зарядталған молекула бөліктерінің қосылуы кезінде байқалады. Рекомбинациялық люминесценция газдарда радикалдар мен иондардың рекомбинация үдерісі нәтижесінде қозған күйде молекула пайда болуымен іске асырылады. Рекомбинациялық люминесценция кристаллофосфорларда жиі кездеседі.
1.2 Энергия деңгейлерінің диаграммасы
Молекулалар жарық квантын жұтқаннан кейін, кванттық энергияны күрделі түрлендіру үдерісі жүзеге асады. Яблонскийдің деңгейлер диаграммасын күрделі молекулалардың энергетикалық күйлер диаграммасы деп қарастыруға болады [9]. 4-суретте фотонды жұту нәтижесінде пайда болатын, әр түрлі молекулаішілік өтулердің сұлбасы көрсетілген. Берілген электрондық өтулерге қатысатын молекулалық орбитальдардың (МО) электрондық конфигурациясы энергетикалық деңгейлердің жанындағы тіктөрт-бұрыштарда көрсетілген.
Күрделі органикалық молекулалар диамагнитті және олардың негізгі электрондық күйі - синглетті S0 (спиндері жұп). Суретте бірэлектронды қоздыру көрсетілген, онда электроның біреуі төменгі МО қалады да, екінші электрон жоғарғы бос МО-ға өтеді. Молекула қозған күйде триплетті деңгейлер жүйесіне ие, ол Тj деп белгіленеді [10]. Мұндай күйде екі электрон параллель бағытталған спиндерге ие болады. Триплетті деңгейлер, синглетті деңгейлермен салыстырғанда төмен орналасады [11]. Бірдей спиндік мультиплеттігі бар күйлер арасындағы сәулелену - флуоресценция деп, ал спиндік мультиплеттігі әр түрлі күйлер арасындағы өтулер - фосфоресценция деп аталады.
Егер молекула жарық квантын жұтып Sj қозған деңгейлердің біреуіне өтсе, онда ол негізгі күйге екі жолмен қайтып оралады: сәулеленусіз өту және жарықтың квантын шығару жолымен. Сәулеленусіз өтулердің мысалы ретінде, ішкі жаңғырту, тербелмелі релаксация, интеркомбинациялық жаңғырту құбылыстарын айтуға болады.
Ішкі жаңғырту - мультиплеттігі бірдей екі әр түрлі электрондық күйлердің арасындағы сәулеленусіз өту үдерісін айтады. Молекула жарық квантын жұтып S2 қозған электрондық күйге өткен жағдайын қарастырайық. S2S1 сәулеленусіз өтудің механизмі, S1 күйдің жоғарғы тербелмелі деңгейлерімен S2 күйдің төменгі тербелмелі деңгейлерінің қабаттасуымен (энергиясы бойынша) түсіндіріледі. Жоғарғы S2 және төменгі S1 электрондық күйлердің потенциалдық беттері қиылысқанда, 10-12 с уақыт ішінде ішкі жаңғырту құбылысы іске асырылады.
Ішкі жаңғыртудың жылдамдығы, тербелмелі толқындық функциялардың қабаттасуына тәуелді болатынын және оның электрондық күйлердің арасындағы энергетикалық аралығы өскен сайын азаятынын айта кеткен жөн. Ішкі жаңғырту үдерісі өткен соң, молекуланың артық тербелмелі энергиясының алмасуы іске асырылады. Себебі, көпатомды молекулаларда тербелістердің жеке модалары арасында өзара әсерлесулері өте үлкен. Бұдан көпатомды молекулалардың жұтылу және сәуле шығару спектрлерінің тұтас сипатқа ие екендігінен көруге болады (1.2-сурет). Тербелмелі релаксацияның уақыты tрел10-12с құрайды.
1.2-сурет. Қозбаған, жұп электронды органикалық молекулалардың төменгі энергетикалық деңгейлерінің жалпы сұлбасы [11]
Сонымен, басында S2 деңгейге дейін қоздырылған молекула, сәулеленусіз өтулер арқылы бірінші қозған электрондық деңгейге S1 оралады. Бұл деңгейден молекула S0 негізгі күйге сәулеленусіз өтуі мүмкін немесе интеркомбинациялық жаңғырту құбылысы арқылы триплетті күйге өтуі мүмкін немесе флуоресценция квантын шығарады. Осы үш құбылыстың өзара бәсекесін қарастырайық.
Флуоресценцияны шығаратын қосындыларда S1S0 өтулерінің жылдамдығы S2S1 жылдамдығымен салыстырғанда баяу жүреді. Бұл, электрондық деңгейлердің номері азайған сайын, екі жақын орналасқан электрондық күйлердің арасындағы энергетикалық арақашықтықтың артуымен түсіндіріледі [12]. Сонымен бірге, екі күйдің тербелмелі деңгейлерінің қабаттасуы да азаяды. Сондықтан сәулеленусіз өтудің жылдамдығы баяулайды және флуоресценцияның өмір сүру уақытымен бірдей реттілікке келеді.
Интеркомбинациялық жаңғырту - бұл синглеттік (триплеттік) электрондық күйден триплетті (синглетті) электрондық күйге сәулеленусіз өту үдерісі. Сәулеленудің қарапайым шарттарында, органикалық молекулалардың триплетті күйлерінің қоныстануына осы үдеріс жауапты. Қоздыратын жарықтың қарқындылығы үлкен болғанда (лазерлік толтыру) S0Т1 өтулері байқалуы мүмкін, бірақ S0Т1 өтудің экстинкция коэффициенті өте аз. Коши ережесі бойынша қалыпты жағдайда электрон спинінің жаңғыртылуы (спиннің бұрылуы) 10-6с уақыт аралығында жүзеге асады. Бұл дегеніміз, 1000 қоздырылған молекуланың ішінен, біреуі ғана триплетті күйге өту арқылы, интеркомбинациялық жаңғырту құбылысына ұшырайды. Сонымен бірге, молекуланың магнитті спин-орбиталдық өзара әрекеттесулердің күшеюі, интеркомбинациялық өтулер және флуоресценцияның сәуле шығару үдерістері араларындағы бәсекелестікке немесе флуоресценцияның толық өшуіне әкеледі.
1.3 Флуоресценцияның негізгі заңдары
Флуоресценция спектрі - зат шығарған жарықтың толқын ұзындығына (толқындық санына немесе жиіліктеріне) тәуелділігін айтамыз.
Люминесценцияның қоздыру спектрі деп, заттың шығарған энергиясының қоздыру толқын ұзындығына (толқындық санына немесе жиілігіне) тәуелділігін айтамыз.
Люминесценция спектрінің қозған жарықтың толқын ұзындығына тәуелсіздігі. Вавилов заңы. Молекулалардың сұйықтың конденсацияланған орталарында фотолюминесценция спектрлері қоздыру жарығының толқын ұзындығына тәуелсіз. Яғни, флуоресценцияның сәуле шығаруы, әрқашанда, төменгі электрондық-тербелмелі деңгейлерден байқалауы арқылы түсіндіріледі [13].
Көпатомды молекулалардың электронды жұтылу спектрлері кең сызықтардың топтамасы болып табылады. Сондықтан зерттелетін заттың флуоресценциясын жұтылу спектрінің кез-келген бөлігімен қоздыруға болады.
Молекулаларды жұтылу жолағындағы жарықпен қоздыру кезінде, молекулалар жоғары электронды деңгейдің әр түрлі тербелмелі денгейлерін қоныстайды. Әр түрлі жұтылу жолақтарында қоздыру кезінде молекула әр түрлі электронды денгейлерге өтеді (1.3-сурет).
1.3-сурет. Вавилов заңы
Екі жағдайда да люминесценция спектрінің қозған жарықтың толқын ұзындығына тәуелділігі байқалуы керек [14]. Бірақ, тәжірибе бұл болжамды растамайды. Тәжірибедегі байқалған шығару спектрінің орналасуы және пішінінің қоздыру толқын ұзындығына тәуелсіздігі - күрделі молекулалар флуоресценциясының механизмін түсінуге жол береді.
Жарықтың үлкен кванттарымен қоздырғанда молекулалар S0 күйден S2, S3 және басқа күйлерге өтеді. Осы барлық күйлерден өткенде флуоресценцияның спектрі өзгеріссіз болуына байланысты, сәулеленіп өтулер бір ғана деңгейден байқалады деп есептеуге болады. Мұндай деңгей ретінде сұлбада S1 деңгейі көрсетілген.
Бұл үдерісте қоздыру энергиясының артық мөлшері тербелмелі энергияға айналады. Суретте S2-- S1 және S3-- S1 өтулер сәулеленусіз (толқындық белгілерімен) жүзеге асады. Себебі, S2 және S3 күйлерін қоздыру кезінде жаңа сәулелену сызығы байқалмайды. Осындай өту уақыты өте аз ~10ˉ12- 10ˉ13с.
Флуоресценцияның сәуле шығару жолақтарының пайда болуы - жұтылу жолақтарының пайда болуына ұқсас. Қозған күйдегі лезде болатын тербелмелі релаксация, барлық молекулаларды S1 күйдің төменгі тербелмелі деңгейлеріне шоғырландырады. S1S0 өтулерде осы деңгейлер бастапқы деңгейлер болып табылады.
Өтулер ықтималдылығы тербелмелі толқындық функциялардың, күй тығыздықтарының және т.б. қабаттасуларының күрделі функциясы болып табылады. Сәулеленіп өтулер үшін Эйнштейннің интегралдық коэффициенті мына қатынас арқылы анықталады:
(2)
мұндағы - жеке электрондық-тербелмелі өтулердің ықтималдылығы (өлшем бірлігі с-1), және - күйлердің тығыздығы, - электрондардың қозған күйінің тербелмелі деңгейлері бойынша таралуы. Флуоресценциялық деңгейдің сәуле шығаруының өмір сүру уақыты мынаған тең (өлшем бірлігі секунда). Мұнда сәулеленусіз өтулер ескерілмейді. Қоздырылғаннан кейін, синглеттік күйдің сәулелену дезактивациясының негізгі кинетикалық теңдеуі, формальды кинетика теңдеулері негізінде былай жазылады:
(3)
мұндағы: - синглетті күйге қозған молекулалардың концентрациясы, - флуоресценцияны шығарудың мономолекулалық үдерісінің жылдамдық тұрақтысы.- флуоресценцияның шығу уақыты; - өту жылдамдығы.
Стокс-Ломмель заңы. Молекулалық люминесценцияның маңызды заңдылығы - жұтылу спектрі мен люминесценцияның өзара бірдей орналасуы. Қоздырушы жарық жиілігі әрқашан люминесценция жиілігіне тең немесе үлкен.
Көп уақыт бойы бұл тәуелділік Стокс ережесімен сипатталады деп есептеліп келді.
Жарықтың молекуламен жұтылуы және шығарылуы кезінде электронды және тербелмелі энергияларының өзгеруі байқалады. Сондықтан люминесценция және қоздыру жиіліктері молекуланың энергиясымен анықталады.
Стокс: заттың фотолюминесценция спектрі жұтылған жарықтың спектріне қарағанда ұзын толқындар аумағына ығысқан, яғни hжhf.
Ломмель: фотолюминесценция спектрінің максимумы жұтылу максимумымен салыстырғанда әрқашан ұзын толқындар аумағына ығысқан.
Антистокстық қоздыру кезінде, керісінше, заттың фотолюминесценция спектрі жұтылған жарықтың спектріне қарағанда қысқа толқындар аумағына ығысқан.
Люминесценцияның шығуы. Фотолюминесценция қозған жарықтың энергиясын жұту нәтижесінде пайда болады. Бірақ оның тек бір бөлігі ғана люминесценцияның энергиясына айналады. Бұл үдерістің сипаттамасы люминесценцияның шығуы деп аталады. Люминесценцияның шығуы энергетикалық және кванттық деп бөлінеді.
Люминесценцияның энергетикалық шығуы деп - люминесценция шығарған (шашыратқан) энергияның жарықтың жұтылған энергиясына қатынасын айтады.
(4)
Люминесценцңяның энергетикалық шығуының қоздырылатын жарық толқынының ұзындығына тәуелділігі Вавилов заңына бағынады, ол коздырылатын жарық толқынының ұзындығының өсуімен әуелі, толқын ұзындығына пропорционал өсіп, ең жоғарғы мәнге жетеді, сосын күрт төмендейді (1.4-сурет).
1.4-сурет. Заттың энергетикалық және квантық шығуының қозған жарық сәулесінің толқын ұзындығына тәуелділігі
Люминесценцияның кванттық шығуы деп - шығарылған кванттар санының жұтылған кванттар санына қатынасын айтады:
(5)
Екі шаманың арасындағы қатынасты орнату жеңіл. Люминесценцияның кванттық шығуы коздырылатын жарық толқынының ұзындығының өсуімен бірінші уақытта, өзгермейді сосын күрт төмендейді (6-сурет).
Вавилов заңы. Вавилов люминесценцияның энергетикалық шығуы қозған жарықтың толқын ұзындығына тәуелді екенін дәлелдеді. Сәйкесінше, люминесценцияның энергетикалық шығуы басында қозған жарықтың толқын ұзындығына тура пропорционал өседі, сосын белгілі толқын ұзындығы интервалында тұрақты болады да, жалғасында лезде түседі. Бұл тәуелділіктің жалпы сипаттамасы Вавилов заңы деп аталады. Бұл заңға сәйкес, әрбір заттың белгілі бір шектелген толқын ұзындығы болады, сол шектен асқанда люминесценцияның шығуы бәсеңдейді.
Флуоресценттік өлшеулердің барлық түрлерінде флуоресценцияның салыстырмалы кванттық шығуын жоғары дәлдікпен анықтауға болады. Абсолютты кванттық шығу бірнеше зертханаларда жеткілікті дәлдікпен анықталған және басқа қосылыстардың кванттық шығуын есептегенде эталон ретінде қолдануға болады. Мысалы, ерітінділерде концентрация және оттегі көмегімен сөндіру құбылысы болмағанда, флуоресцеиннің судағы ерітіндісінің РН=9,6 кванттық шығуы f=0,92 мен эозин f = 0,16 шамалары стандарт ретінде жиі қолданылады (1-кесте).
Егер берілген қосылыстың ерітіндісінің қарқындылығын I0 монохроматты жарық шоғымен қоздырсақ, онда флуоресценцияның толық қарқындылығын былай жазуға болады:
(6)
мұндағы - қосылыстың молярлық экстинкция коэффициенті; С - ерітіндінің концентрациясы; l (см) - жұту қабатының қалыңдығы; f - флуоресценцияның кванттық шығуы.
1-кесте
Оптикалық тығыздыққа байланысты флуоресценцияның кванттық шығуын анықтаудағы салыстырмалы қателігі
Оптикалық тығыздық
Қателік,
%
Оптикалық тығыздық
Қателік,
%
0,01
0,5
0,06
3,0
0,02
1,0
0,07
3,4
0,03
1,5
0,08
3,9
0,04
2,0
0,09
4,4
0,05
2,5
0,1
5,0
Түскен жарықтың бір бөлігі ғана жұтылса, қоспалы ерітінділер үшін (23, Сl0,02)теңдеу мына өрнекке түрленеді:
(7)
екенін және де қатарға жіктелетінін ескере отырып, көрсеткіші бірден жоғары болатын қалдық қосындылар бойынша қателікті есептеуге болады [14].
Егер қалыңдықтары бірдей кюветаларда флуоресценцияның салыстырмалы қарқындылығы монохроматты жарық шоғымен қоздырылса, онда зерттелетін қосылыстың флуоресценциясының кванттық шығуын келесі формула бойынша есептеуге болады:
(8)
мұндағы (f)1 - стандартты қосылыс флуоресценциясының квантық шығуы, 1 мен 2 индекстер арқылы стандартты және зерттелетін қосылыстардың шамалары берілген. Ертіндіде флуоресценция кванттары барлық бағытта шығарылады, сондықтан фотокөбейткішке олардың жалпы санынан тек шамалы үлесі ғана түседі. Стандартты және зерттелетін ерітінділер концентрациясы аз болса (Сl0,02), реабсорбция ескерілмейді, үлесі екі ерітінді үшін де бірдей болады және зерттелетін ерітінділерден бір секунд ішінде шығарылатын кванттар санының қатынасы аудандардың қатынасына пропорционал (If)2(If)1.
Айналық симметрия ережесі. Кейбір заттар үшін жұтылу мен сәуле шығару спектрлері арасындағы айналық симметриясы байқалады. Бұл құбылысты алғаш рет В.Л. Левшин тәжірибе жүзінде анықтады және теориясын ұсынды.
В.Л. Левшин: Егер ордината осі бойымен заттың жұтылу коэффициентін және кванттық қарқындылығын белгілесек, ал абцисса осі бойымен жиіліктерді (немесе толқын ұзындықтарын) белгілесек, онда сәулелену және жұтылу спектрлері абцисса осіне перпендикуляр ν0 нүктесінде қиылысқан (спектрлердің қиылысатын нүктесі) түзу сызығына симметриялы болады.
Айналық симметрия заңы былай тұжырымдалады: егер ордината осі бойынша заттың жұтылу коэффициентін (жұтылу спектрлері үшін) және кванттық қарқындылығын (флуоресценция спектрі үшін) белгілесек, ал абцисса осі бойынша жиіліктерді белгілесек, онда жұтылу және сәуле шығару спектрлері, олардың қиылысу нүктесінен өтетін және абцисса осіне перпендикуляр болатын түзу сызыққа қарағанда симметриясы байқалады.
Айналық симметрия ережесі математикалық түрде былай жазылады:
(9)
мұндағы - жұтылған жарықтың жиілігі, - флуоресценция спектріндегі симметриялық жиілік, - екі спектрдің қиылысу нүктесінен өтетін симметрия сызығының жиілігі. (9) өрнекті мына түрде түрлендіруге болады.
(10)
(10) өрнектен, айналық симметрия ережесі орындалғанда, мен арасында сызықтық тәуелділік байқалады. Егер ордината осі бойынша шамасын, ал абцисса осі бойынша шамасын (-дың орнына) белгілесек, графикте тангенстің иілу бұрышы 2-ге тең болатын түзу сызық алынады. Бұл тәуелділік жұтылу және люминесценция спектрлері арасындағы айналық симметрия ережесін тексерудің жеңіл тәсілі болып табылады [15].
Жұтылу мен сәуле шығарудың айналық симметрия ережесі орындалуы үшін, симметрияның екі түрі қажет: жиіліктер симметриясы және жиіліктердегі қарқындылықтар симметриясы (1.5-сурет).
1.5-сурет. 1 - родамин 6Ж, 2 - флуоресцеин, 3 - трипафлавин бояғыштарының судағы ерітіндісінің жұтылу және люминесценция спектрлерінің айналық симмериясын тексеру
Жиіліктер симметриясының орындалуы үшін қажетті шарт: негізгі және қозған электрондық күйлердің тербелмелі деңгейлерінің тепе-теңдігі және симметрия сызығы жиілігінің электрондық өту жиілігіне тең болуы. 8-суретте органикалық молекуланың жұтылу (а) және сәуле шығару спектріндегі жиіліктер симметриясының пайда болуы (б) мен симметрияның орындалмайтынын сипаттайтын энергетикалық деңгейлердің жүйесі мен олардың арасындағы өтулер көрсетілген. 1.6 (а)-суреттте көрініп тұрғандай, екі электрондық күйдің тербелмелі деңгейлерінің тең болуы сызықтар саны бойынша симметрияны қамтамасыз етеді, ал жоғары және төменгі электрондық күйлердің тербелмелі жиіліктерінің айырымы симметрия жиілігіне қатысты симметрияны қамтамасыз етеді [16]. 1.6 (б)-суретте жоғары және төменгі күйлердегі тербелмелі деңгейлердің санының тең емес екендігін және сәйкес тербелмелі деңгейлер арасындағы арақашықтықтар теңсіздігі байқалатын молекуланың жүйесі көрсетіледі.
Қарқындылық симметриясы орындалуы үшін екі шарт болуы қажет: біріншіден, негізгі және қозған электрондық деңгейлердің тербелмелі деңгейлері бойынша молекулалар тепе-тең таралулары қажет, екіншіден, жұту және сәуле шығару үдерістерінің ықтималдықтарының пропорционалдылығы болу керек.
а) б)
1.6-сурет. Молекулалардың жұтылу және люминесценция спектрлеріндегі жиіліктер симметрияның орындалуы (а) және орындалмауы (б)
Талдау көрсеткендей, негізгі және қозған электрондық күйлердің тербелмелі толқындық функциялары тең болған жағдайда, электрондық-тербелмелі өтулердің матрицалық элементтерінің теңдігі байқалады:
(11)
Бұл қатынас Левшиннің айналық симметрия ережесі деп аталады. 1.7-суретте эозиннің судағы ертіндісінің спектрі, мысал ретінде келтірілген. Электрондық - тербелмелі өтулердің теориясы негізінде флуорес-ценцияның негізгі ережелері мен заңдарын тұжырымдауға болады.
*1012 , с[-1]
I4,
Люм.
Жұт.
0
1.7-сурет. Эозиннің жұтылу (1) және люминесценция (2) спектрлеріндегі Стокс-Ломмель заңы мен айналық симметрия ережесінің орындалуы [17]
Мұндай шарттарда, күрделі молекулалардың люминесценция спектрлеріндегі энергияның таралуы, Кирхгоф заңымен сипатталатын, молекулалардың жылулық сәуле шығару спектріндегі энергияның таралуымен сәйкес келуі керек.
Жұтылу және люминесценция спектрлері арасындағы Степановтың әмбебап қатынасы. Степанов, жалпы термодинамикалық түсініктер негізінде, мынандай қатынас алды:
(12)
мұндағы I және - жиіліктегі люминесценцияның қуаты мен жұтылу коэффициенті, D(Т) - қоздыру шартына және температураға тәуелді, тұрақты шама. (12) қатынас бойынша, жұту және люминесценция актілері арасында ( өмір сүру уақытынан қысқа уақыт) молекулалық жүйеде қозған электрондық күйдің тепе-тең таралуы қалыптасып үлгереді және ортаның темпера-турасымен анықталады [18].
1.4 Люминесценциялық өлшеулер
Люминесценция және қозу спектрлерін өлшеуді бастамас бұрын спектрофлуориметр құрылғысының монохроматорын толқын ұзындықтары бойынша калибрлеу қажет, яғни спектрдің тіркелетін аймағы мен ыдырайтын элементтің күйін сипаттайтын аспап шкаласының бөліктерін бірдей ету. Осы мақсатта сызықтық спектр көздері қолданылады, көбінесе, гелий-аргонды және сынап шамдары қолданылады [19]. Олардың спектрлері калибрленетін аспапта жазылады. Спектрлер кестесінің көмегімен, жеке барынша қарқынды толқын ұзындықтары (өзі жазғыш құралдың диаграммалық қағазындағы шыңдар) мен аспап шкаласының бөліктері арасындағы тәуелділігі орнатылады.
Люминесценциялық өлшеулердің калибрі мен түзетулері.Аспап шкаласында бақыланатын және шын толқын ұзындығы арасындағы айырмашылық - түзету коэффициенті болып табылады. Ол коэффициент шкалада алынған мәнді толқын ұзындығына айналдыру үшін қолданылады. Шкаланың қателіктерін жою үшін толқын ұзындықтарын сканирлеу (көшіріп алу) бір бағытта жүргізіледі. Калибрлеуді спектрофлуориметрдің қоздыру жарығының монохроматорымен қоса, тіркейтін монохроматоры үшін де жүргізеді [20].
Спектрлік қателіктердің болуына өзі жазғыш құралының себепкер болуы мүмкін екендігін ескерген жөн. Сол үшін спектрофлуориметрдің дисперсиялық қисығын спектрді жазудың әр түрлі жылдамдықтарында алады.
Қозу жарығы спектрлерінің түзетулері. Көпшілік флуориметрдің көмегімен алынған қозу және люминесценция спектрлері жақын орналасқан. Зерттеліп отырған заттардың шын спектрлерін орнату үшін аспапта тікелей алынған спектрлерге түзету жұмыстарын жүргізу қажет. Қозу спектрі келесі көріністе өлшенеді: спектрофлуориметрдің тіркеуші монохроматорын флуоресценция спектрінің максимумына сәйкес толқын ұзындығына орнатылады. Содан соң, монохроматордың ыдыраушы элементін толқын ұзындықтарының нақты аймағында сканирлейді және флуоресценция қарқындылығының өзгерісін жазып отырады. Тәжірибеде заттың қозу спектрі жұтылу спектріне сай келмейді [21]. Мысал ретінде, 28-суретте 0,05 М H2SO4-тегі хинин күкірт-қышқылының ерітіндісінің люминесценция спектрінің қозуы келтірілген.
Тіркелетін қозу спектріне түзетулерді жүргізу үшін қозатын жарық қарқындылығының (монохроматордан кейін) толқын ұзындығына тәуелділігінІ(λ) орнату керек. Бұл тәуелділікті орнатудың бірнеше әдісі болады.
1.Химиялық актинометрия әдісі. Ерітінді-реагентті спектрофотометр ұяшығына орнатып, t уақытқа сәулелендіріледі. Ерітінді-реагент бізге керекті толқын ұзындығындағы жарықты жұтып, нәтижесінде қандай да бір фотоөнімді қалыптастырады. t уақыт ішінде пайда болатын, өнімнің n молекулалар саны аналитикалық тұрғыдан анықталады. Өнімнің кванттық шығысы белгілі және оны Фө-ға тең. Бұл жағдайда, ұяшықтың алдыңғы бөлігіне түсетін жарық ағынының қарқындылығын келесідей анықтауға болады [22].
І=n[Фө1-10-eAl] (13)
Мұндағы А - реагент мөлшері, e - экстинкция коэффициенті, l - зат қабатының қалыңдығы. Химиялық актинометрлер, көбінесе, жарықтың УК аймағындағы абсолютты қарқындылығын анықтау үшін қолданылады. Қозатын жарықтың қарқындылығын анықтауға арналған, бұл әдіс күрделі әрі көп уақытты талап етеді. Сондықтан, ол кең қолданысқа түсе қойған жоқ.. Суреттен көріп тұрғанымыздай, күкірт-қышқылды хинин ерітіндісінің қозу спектрінде (1.8-сурет) жұтылу спектрімен салыстырғанда (2-қисық) 350 нм-де максимумы болмайды.
1.8-сурет. 0,05 М H2SO4-тегі хинин ерітіндісінің қозу және жұтылу спектрлері
Бұл келесідей түсіндіріледі: 1) қоздырғыш жарық көзі қарқындылығының толқын ұзындығына тәуелділігімен, 2) монохроматордың дифракциялық торларының біркелкі шағылдырмауымен. Мысалы, кәдімгі дифрациялық тор 200 нм толқын ұзындығының тек 50%-ын шағылдырса, 400 нм-де 80% шағылдырады [23].
2.Жарық қарқындылығын термоэлементтер көмегімен өлшеу. Өлшеудің бұл әдісі жарық қарқындылығын толқын ұзындығының кең аймағында анықтауға мүмкіндік береді (УК, көріну аймағы). Ол өте қарапайым және эффективті болып табылады. Бірақ, термопара мен термоЭҚК өлшеуішін бір мезгілде қолдануды талап етеді (не гальванометрді). Термоэлемент-өлшегіш жүйесін стандартты жарықтандыру көздерімен калибрлеуге болады [24].
Жарықтың қарқындылығын калибрленген фотоэлемент немесе ФЭК (фотоэлектронды көбейткіш) көмегімен өлшеуге болады.
Кванттардың флуоресценциялық көздерін қолдану. Бұл әдіс кең қолданысқа ие (ол көптеген өнеркәсіп орындарындағы спектрофлуориметрлерде люминесценцияның қозу спектрлеріне түзетулер жүргізу үшін қолданылады). Кванттар санағыштары Вавиловтың люминесценцияның кванттық шығысының қоздыратын жарықтың толқын ұзындығына тәуелсіздік заңына негізделген. Квант санағыш (1.9-сурет) (К) үшбұрышты кюветалар мен фотоэлементтен (ФЭ) тұрады. Кюветада көп мөлшерлі ерітінді (көбіне, ол этиленгликольдегі родамин Б) болады. Тускен жарық толқын ұзындықтарының барлық аймағында жұқа қабықпен жұтылуы үшін бояғыш мөлшері көп болуы керек [25-29]. Бояғыштың көп мөлшерінде ерітінді жұту сүзгінің рөлін атқарады және қоздыратын жарықтың өту тереңдігіне тәуелсіз, ФЭ бірдей жолақтарды тіркейді. Квант санағыштары, алғаш рет, түзетілген қозу спектрлерін тіркейтін спектрофлуориметрлерде қолданылды.
Бұндай спектрофлуориметрде қозатын жарықтың бір бөлігі монохроматордан үлгіге, ал қалған бөлігі жарық ағынын бөлуші рөлін атқаратын (Р) кварц пластинкасынан шағылып, квант санағышына қарай бағытталады (бояғыш ерітіндісі бар К кювета). Сонымен қоса, ФЭ-ден түсетін дабыл К кюветаға түсетін жарық квантының ағынына пропорционал. Үлгі люминесценциясы ФЭК арқылы тіркеледі. ФЭК-дің І1 жұмыс істеу дабылының мәнін І2-нің мәніне нормалау электрондық сұлба көмегімен жүргізіледі. ФЭ-пен зерттеліп отырған заттың қозу спектрінің көрінісі болатын І1І2 қатынасы анықталады [30].
Шынында да, ФЭК-тен келетін дабыл (үлгінің люминесценциясының қарқындылығы) түсетін жарықтың қарқындылығына І0(λ), люминесценцияның кванттық шығысына Вкв және ε экстинкция коэффициентіне пропорционал:
І1(λ)~І0(λ)Вквε(λ) (14)
Квант есептегіштен келетін дабыл шамасы түсетін жарық қарқындылығына пропорционал:
І2(λ)~ І0(λ) (17)
Өзіжазғышта олардың қатынасы тіркеледі:
І1(λ)І2(λ)~ε(λ)Вкв (18)
1.9-сурет. Кванттық санағыш құрылғысы
Қозу жарығының қарқындылығын люминесценцияның қозу спектрімен өзгертілгенін ескергенде, бұл қатынас түзетілген болып саналады.
Люминесценция спектрлерін түзету.Шын спектр алу үшін, қозу спектрі секілді флуоресценция спектріне де, түзетулер енгізу керек. Флуоресценция спектріне монохроматор дисперсиясымен қоса фотоқабылдағыштың сезгіштігі де әсер етеді. Бұл екі параметрлер толқын ұзындығына тәуелді болғандықтан түзетулерді талап етеді.
Барлық жиіліктердегі, бірлік уақыт ішінде шығарылған, люминесценция квантының саны Nкв-ға тең болсын делік, онда ν жиіліктегі люминесценция қарқындылығы dNквdν=Іνлюм-ге тең болады. Іνлюм-ның ν жиілікке тәуелділігі люминесценцияның шын спектрін анықтайды. ν жиіліктегі Іνлюм люминесценция қарқындылығын тіркеу кезінде, ФЭК-тен келетін электрлік дабыл (өзі жазғыш қаламының ауытқуы) келесіге тең:
Аν=Ілюмν(Рν∆νLν)=Ілюмνkν (15)
мұндағы Рν - ФЭК-тің қатыстық кванттық эффективтілігі, ∆ν - спектрдің қатыстық ені, Lν - тіркегіш монохроматордан өтетін жарық бөлігі. Люминесценцияның шын спектрін тәжірибелік қисықтың ординаталарын kνшамасына бөлу арқылы табуға болады. kν шамасы -тіркегіш жүйенің спектрлік сезгіштігі (түзету коэффициенті) болып табылады. Флуоресценция спектрінің түзету коэффициентін бірнеше әдістермен орнатуға болады [31].
1.Флуоресценцияланатын ерітінді әдісі. Ол әдіс спектрофлуориметрдің түзету коэффициентін анықтауға негізделген. Ол зерттеліп отырған заттың градуирленген аспап пен эталондық аспапта алынған флуоресценция спектрлерін салыстыру арқылы жүзеге асырылады.
2.Қоздыру көзі болып табылатын жарықтың шағылуына негізделген әдіс. Бұл жағдайда түзету коэффициенті біріншісінде, квант санағыштан алынған, екіншісінде, қоздыру көзінен тікелей алынған қарқындалықтарды салыстыру арқылы анықталады. Бірінші аспаптың кюветалық бөліміне кванттар санағышы (этиленгликольдегі родамин Б ерітіндісі) орнатылады. Тіркегіш монохроматор кванттар санағышының (бояғыштың) люминесценция спектрінің максимумына сай келетін толқын ұзындығына орнатылады. Қозу монохроматорын көшіріп алғаннан кейін, кванттар санағышының люминесценция спектрі жазылады. Ол шам жарығының қарқындылығының І0(ν) қатыстылық бірліктеріндегі жиілікке тәуелділігі болып табылады. Содан кейін квант санағышыі алынып, диффузиялық пластинка көмегімен шамның сәулеленуін тіркегіш монохроматорға тікелей бағыттайды (диффузиялық пластинка - магний қышқылымен қапталған кварцтық төсеме - селективті шағылдырғыш қасиеті бар айна орнына қолданылады). Екі монохроматорды бір уақытта көшіріп алу (сканирлеу) арқылы І(ν) шам сәулеленуінің түзетілген спектрі жазылады. І(ν)І0(ν) қатынасы арқылы қондырғының kν сезгіштігі алынады.
3.Эталондық шам әдісі.Бұл әдіс тәжірибеде кең қолданысқа ие. Эталондық лампа ретінде белгілі түстік температурасы (Түстік температура - ол оның энергиясының спектр бойынша орналасуы шам энергиясының спектрі бойынша орналасуына сай келгендегі абсолютті қара дененің температурасы [10]) бар вольрамды қыздыру шамы (мысалы, СИ-15) қолданылады. Түстік температураны біле отырып, Планк формуласымен Іэт шам сәулеленуінің спектр бойынша орналасуын білуге болады.
Спектрофлуориметрдің қабылдау бөліміндегі сезгіштігін диффузиялық шағылдырғыш экран көмегімен анықтау үшін монохроматорлық тіркегіш саңылауын вольфрам шамымен жарықтандырылады. Градуирлеу кезінде эталон шамынан өтетін ток тұрақтылығын үнемі қадағалап отыру керек (оның өзгеруі кезінде түстік температура да өзгереді). Спектрофлуориметрдің тіркегіш жүйесін қолдану арқылы эталондық шам қарқындылығының толқын ұзындығына Ібақылау(λ) тәуелділігі жазылады. Тіркегіш жүйенің сезгіштігі келесі қатынастан анықталады:
K(λ)=Iбақылау(λ)Iэт(λ) (16)
Түзетілген спектр Iлюмшын өлшенген шаманы Iлюмөлшкоэффициентіне бөлу арқылы алынады.
Эталондық шамдардың калибрленген мәндері, әдетте, энергия бірліктерінің толқын ұзындықтарының бірлік интервалында көрініс табады. Кей кездері спектрлерді толқындық сан (ν=1λ) шкаласында көрсеткен жөн болады. Бұл ауысу екі бөлімнен тұрады. Бірінші энергетикалық бірліктердің калибрлік мәндерін кванттық мәнге айналдырады. Ол үшін Іэт(λ)-ді сәйкес толқын ұзындығына көбейтеді. Содан соң, Іэт(λ)=∆І∆λ болғандықтан ∆λ интервалын ∆ν интервалына айналдыру керек:
ṽ=1λ, ∆ṽ=-1λ2∆λ (17)
Сәйкесінше, толқын ұзындығы ұлғайған сайын ∆λ-і λ2-на пропорционал түрде азаяды. Сол үшін толқындық сан шкаласына өту үшін Іэт мәнін λ2-ге көбейту керек. Осыны ескере отырып, толқындық сан шкаласында тіркегіш жүйенің сезгіштігі келесіге тең:
К(ṽ,λ)=Ібақылау(λṽ)λ2Іэт(λ) (18)
1.10-суретте қондырғының спектрлік сезгіштігінің спектрі көрсетілген (максимумы анық көрсетілген енді жолақ).
1.10-сурет. К сезгіштік коэффициентінің толқын ұзындығына тәуелділік графигі
Флуоресценция спектрлерін тәжірибеде түзеу. Флуориметрдің барлық жүйесінің сезгіштігі толқын ұзындығына байланысты болғандықтан, бақыланған спектрлерді түзеу қажет және спектрлік сезгіштік қисығын пайдалана отырып, флуоресценцияның шын спектрін құру қажет. Флуоресценция спектрлерін өлшеу үшін қондырғыны толқын ұзындықтары бойынша өлшеу қажет. Ол үшін монохроматордың кіру саңылауын, сызықтық спектрге ие және толқын ұзындықтары белгілі жарық көзімен жарықтандырылады. Мұндай жарық көзі ретінде сынап шамы пайдаланылады. Оның спектрлік сызықтары көріну ауданы үшін 2-кестеде келтірілген. Тәжірибеде сынап шамының сәуле шығару спектрін іздеу мен талдау жүргізіледі және оның жеке сызықтарының толқын ұзындықтары мен барабан бөліктерінің арасындағы тәуелділік орнатылады. Осы мәліметтер бойынша, қондырғының дисперсиялық қисығы тұрғызылады.
2-кесте
Сынап шамының спектрлік сызықтары
Түстер
Толқын ұзындықтар, нм
Қарқындылық
Түстер
Толқын ұзындықтаp, нм
Қарқын
дылық
Күлгін
404,6
407,7
жарық
әлсіз
Жасыл
535,4
546,0
567,5
әлсіз
жарық
әлсіз
Көк
433,9
434,7
435,8
әлсіз
әлсіз
жарық
Сары
576,9
580,3
589,0
Жарық
жарық
әлсіз
Көк-жасыл
491,6
486,0
жарық
әлсіз
Қызыл
623,0
орташа
Заттар люминесценцияларының шын спектрін анықтау үшін көріну спектрінің әр түрлі толқын ұзындықтарына байланысты, қондырғының сезгіштігіне өлшемдер жүргізу қажет. Бұл өлшеулердің физикалық негізі ... жалғасы
Сіз бұл жұмысты біздің қосымшамыз арқылы толығымен тегін көре аласыз.
Ұқсас жұмыстар
Пәндер
- Іс жүргізу
- Автоматтандыру, Техника
- Алғашқы әскери дайындық
- Астрономия
- Ауыл шаруашылығы
- Банк ісі
- Бизнесті бағалау
- Биология
- Бухгалтерлік іс
- Валеология
- Ветеринария
- География
- Геология, Геофизика, Геодезия
- Дін
- Ет, сүт, шарап өнімдері
- Жалпы тарих
- Жер кадастрі, Жылжымайтын мүлік
- Журналистика
- Информатика
- Кеден ісі
- Маркетинг
- Математика, Геометрия
- Медицина
- Мемлекеттік басқару
- Менеджмент
- Мұнай, Газ
- Мұрағат ісі
- Мәдениеттану
- ОБЖ (Основы безопасности жизнедеятельности)
- Педагогика
- Полиграфия
- Психология
- Салық
- Саясаттану
- Сақтандыру
- Сертификаттау, стандарттау
- Социология, Демография
- Спорт
- Статистика
- Тілтану, Филология
- Тарихи тұлғалар
- Тау-кен ісі
- Транспорт
- Туризм
- Физика
- Философия
- Халықаралық қатынастар
- Химия
- Экология, Қоршаған ортаны қорғау
- Экономика
- Экономикалық география
- Электротехника
- Қазақстан тарихы
- Қаржы
- Құрылыс
- Құқық, Криминалистика
- Әдебиет
- Өнер, музыка
- Өнеркәсіп, Өндіріс
Қазақ тілінде жазылған рефераттар, курстық жұмыстар, дипломдық жұмыстар бойынша біздің қор #1 болып табылады.
Ақпарат
Қосымша
Email: info@stud.kz