Содержание:
Введение.
Обзор литературы.
Глава I
§ 1. Эффект Шпольского. Методы количественного анализа.
§2. Факторы, влияющие на точность спектрального анализа.
§3. Физические процессы, обусловленные двухквантовыми реакциями.
§3. Двухквантовые фотопроцессы с участием триплетных молекул.
§4. Зависимости интенсивности фосфоресценции при одноквантовых и двухквантовых процессах.
Глава II.
§1. Спектрофлуориметрическая установка для спектральных и кинетических измерений.
§2 Методика обезгаживания раствора.
§ 3. Зависимость эффективности двухквантовой реакции от мощности возбуждения.
§4. Экспериментальные результаты.
Заключение.
Библиография.
Введение.
Задача изучения механизма фотохимической реакции весьма сложна. Поглощение кванта света и образование возбуждённой молекулы происходит за время . для органических молекул с кратными связями и ароматическими кольцами, представляющими наибольший интерес для фотохимии существует два типа возбужденных состояний, которые различаются величиной суммарного спина молекулы: синглетные и триплетные. Синглетное возбужденное состояние молекула переходит непосредственно при поглощении кванта света. Переход из синглетного в триплетное состояние происходит в результате фотохимического процесса. Время жизни молекулы в возбуждённом - состоянии приблизительно равно ; в - состоянии -от до 20 с. Поэтому многие органические молекулы вступают в химические реакции именно в триплетном состоянии. По этой- же причине концентрация молекул в этом сотоянии может стать столь значительной, что молекулы начинают поглощать свет, переходя на высшие триплетные уровни, в которых они вступают в двухквантовые реакции. Возбуждённая молекула часто образует комплекс с невозбужденной молекулой ли с молекулой . такие комплексы, существующие только в возбуждённом состоянии, называются эксимерами или эксиплексами . Эксиплексы часто являются предшественниками первичной химической реакции - радикалы, ионы, ион-радикалы и электроны вступают в дальнейшие темновые реакции за время, не превышающее порядка .
Время затухания люминесценции, определяемое процессами релаксации энергии в люминесцирующем веществе, зависит от времени жизни в возбуждённом состоянии и варьируется от для разрешённых переходов, до нескольких часов для сильно запрещённых переходов[1].
Время затухания люминесценции также зависит от внешних условий(температуры, концентрации люминесцирующих молекул), которые могут увеличить вероятность безызлучательного перехода. При этом одновременно с уменьшением времени затухания люминесценции уменьшается и квантовый выход люминесценции.
Учёт времени затухания люминесценции необходим при практическом использовании люминесцирующего вещества для люминесцентного о анализа, с временным разрешением в качестве индикаторов электронно -лучевых приборов и светосоставов временного действия.
Изучение кинетики затухания люминесценции и зависимости выхода фотопродукта, а также концентрации триплетов от интенсивности(мощности) возбуждающего излучения при одноквантовых и двухквантовых реакциях является основным методом исследования преобразования и передачи энергии в веществе, в различных химических и биологических процессах[2]. Двухквантовая фотохимия представляет большой интерес для всех областей техники, где приходится иметь дело с фотохимическими процессами в полимерах и стеклах, содержащих ароматические группы или добавки. Лазеры, где активной средой служат органические соединения- одна из важнейших технических областей, где следует принимать во внимание возможность протекания двухквантовых реакций, могущих при определенных условиях повлиять на процессы, идущие в активной среде лазерного прибора[3]. И конечно же следует отметить существенную роль двухквантовых фотопроцессов при спектральном анализе. Важнейшим источником информации о строении и свойствах молекул и твердых тел являются их оптические спектры. В экспериментальных исследованиях триплетных молекул важное место, наряду со спектральными, занимают кинетические методы [4,5,6], то есть изучение процессов заселения и распада возбужденных состояний. Определенные из кинетических экспериментов параметры являются характеристиками, как самих молекул, так и их взаимодействия между собой и с матрицей, в случае примесных центров. Особенно важным является то, что параметры кинетики (время накопления и время дезактивации возбужденных состояний), определяются константами скоростей соответствующих переходов и, следовательно, позволяют извлечь информацию, о путях дезактивации триплетно возбужденных молекул. Этим обусловлена необходимость использования кинетических методов для установления и изучения механизмов дезактивации триплетных состояний органических молекул в твердых матрицах при их сенсибилизированном возбуждении.
Одним из направлений исследования межмолекулярных взаимодействий в конденсированных средах является изучение влияния температуры на люминесцентные характеристики центров излучения. Сведения, получаемые при этом, необходимы также для определения констант скоростей процессов, регулирующих накопление молекул в возбужденных состояниях и их деградацию. Поэтому в некоторых случаях нельзя не учитывать двухквантовые процессы, которые могут существенным образом повлиять на результаты исследований.
В этой работе будет исследоваться эффективность двухквантовой реакции от интенсивности возбуждения. В частности будет осуществлена попытка найти общий вид зависимости скорости образования фотопродукта от интенсивности возбуждающего излучения.
Обзор литературы.
Достаточно хорошо известны четыре основных элементарных процесса, возникающие при взаимодействии света с атомом: это фотоионизация и фотовозбуждение атома, рэлеевское и рамановское (комбинационное) рассеяние света атомом. При небольшой интенсивности света все эти процессы носят однофотонный характер, они происходят в результате поглощения в элементарном акте одного фотона. Именно эти элементарные микроскопические процессы лежат в основе тех макроскопических закономерностей, которые определяют взаимодействие света небольшой интенсивности с веществом. В качестве примеров можно указать на "красную границу" при фотоионизации, на линейчатые спектры поглощения, на закон Бера, определяющий линейное поглощение света веществом, и т.д.
В том случае, когда интенсивность света велика, помимо указанных выше однофотонных процессов, существенную роль начинают играть и многофотонные процессы. Многофотонными аналогами основных однофотонных процессов являются многофотонная ионизация и многофотонное возбуждение атома, многофотонное рэлеевское рассеяние света (возбуждение высших оптических гармоник падающего излучения) и многофотонное рамановское рассеяние света (гиперрамановское рассеяние).
Схема фотопроцессов в молекуле красителя при наносекундом двухфотонном возбуждении
Все эти процессы происходят в результате поглощения в элементарном акте нескольких фотонов. В каждом конкретном случае число поглощаемых фотонов определяется исходя из закона сохранения энергии при переходе между начальным и конечным состояниями и энергии фотона (частоты излучения). Так как в каждом элементарном акте поглощается несколько фотонов, то могут происходить и более сложные многофотонные процессы, в которых закон сохранения энергии выполняется в результате ряда последовательных процессов поглощения и испускания фотонов, в том числе и фотонов различной энергии.
Поэтому в последнее десятилетие наметилась устойчивая тенденция изучения двухквантовых фотопроцессов в различных системах.
В статье Делоне М.Б., говорится о том, что при большой интенсивности света, взаимодействующего с веществом, проявляются многофотонные процессы: многофотонное возбуждение, многофотонная ионизация вещества и многофотонное рассеяние света веществом.Эти процессы аналогичны хорошо известным однофотонным процессам. Рассмотрению основных черт многофотонных процессов посвящена данная статья.
Много работ посвящены использованию и исследованию двухквантовых фотопроцессов в различных областях техники и прикладных дисциплинах.
В 1995 году Дэнк, Стpиклеp и Вебб предложили использовать двухфотонное возбуждение флуоресценции для получения биологических изображений. В последующее десятилетие флуоресцентная микроскопия с многофотонным возбуждением нашла множество применений в биомедицинских исследованиях, в том числе многие ученые нашего государства занимались этой проблематикой. Е.Ю. Клейменов, В.С. Иванов, Н.А. Крюков соих работах теоретически исследовали влияние кинетики фотопроцессов в молекулах красителей, используемых для маркировки биологических молекул, на разрешение флуоресцентного микроскопа с двухфотонным возбуждением флуоресценции наносекундным лазером. Рассмотренная схема фото-процессов в молекуле красителя при двухфотонном возбуждении, влияющих на разрешение микроскопа.
В качестве меры аксиального разрешения флуоресцентного микроскопа использовалась полуширина кривой дифференциального z-отклика (DZR - зависимость интенсивности флуоресценции из тонкого поперечного (по отношению к оптической оси) слоя исследуемого образца от расстояния между этим слоем и геометрическим фокусом объектива конфокального флуоресцентного микроскопа). Результаты модельных расчетов кривых дифференциального z-отклика приведены.
Кривые свидетельствуют о том, что для реальных молекул красителей уже при небольших мощностях возбуждающего излучения, эффект насыщения двухфотонного поглощения и эффект светового тушения флуоресценции за счет поглощения третьего кванта возбуждающего излучения молекулой, находящейся в низшем возбужденном синглетном состоянии, могут существенно ухудшить разрешение микроскопа. Предложены подходы к решению вопросов уменьшения роли таких эффектов.
В связи с бурными темпами НТП в последние годы все активнее в жизнедеятельность человека внедряется лазерная техника. Везде от медицины до судостроения лазеры стали удобными и надежными помощниками человека. В первую очередь это связано с фундаментальными исследованиями, по этой тематике, проведенные в нашей стране во второй половине прошлого столетия академиками Басовым, Прохоровым и др., а также американским ученым Таунсом . Сейчас спектр исследований очень широк: новые типы лазеров, вещества активной среды, улучшение параметров, интеграция с различными программными комплексами и т.д. исследуются и двухквантовые механизмы, протекающие под воздействием лазерного излучения, а также процессы, происходяцие в активной среде лазера.
В работе Амбарцумян Р.В. исследуется экспериментальное определение доли захватываемых частиц и уровня возбуждения при многофотонном возбуждении молекул ИК лазерным излучением.
Чернов П. В. в своей статье исследует фотохимию примесных молекул при двухквантовом возбуждении свободного объема полимерных оптических материалов. Показаны пути улучшения свойств активной среды лазеров на красителях.
Исследователи Корнельского университета в журнале Science от 30 мая, 2003 г. опубликовали статью о применении квантовых точек для 3D визуализации биологических структур с помощью многофотонной флуоресцентной микроскопии.
Многофотонная флуоресцентная микроскопия используется при диагностики объемных микроструктур с субмикронным пространственным разрешением на основе многофотонной флуоресценции. Основные области применения: считывание информации с трехмерного носителя, мониторинг объемной лазерной модификации материалов и диагностика биотканей с субклеточным разрешением.
Сулимов В.Б., Соколов В.О., Дианов Е.М. провели исследования воздействия УФ- лазерного излучения азотного лазера на функциональную активность иммунокомпетентных клеток методом хемилюминесценции цельной крови. Исследования показали что облучение в режиме жесткой фокусировки излучения приводит к выраженной модуляции функциональной активности иммунокомпетентных клеток, которая выражается в зависимости эффекта действия от исходной активности клеток и в целом носит нормализующий характер. Проведенные исследования показали, что основной механизм следует искать не в фотохимических изменениях, а в фотофизических процессах происходящих в системе NADPH-(Субстрат) отвечающей за реакцию фазоцитоза. Вероятными фотофизическими процессами могут выступать двухквантовая ионизация NADPH, фотоабляция фермент-субстратного комплекса.
Мешалкин Ю.П. исследует сечение двухфотонного поглощения ароматических аминокислот и белков. В статье приводятся результаты по эффективности поглощения света при переходе от одноквантового возбуждения к двухквантовому на конкретных органических системах. При двухквантовом механизме поглощение света резко усиливается и это служит хорошим катализатором для многих биопроцессов.
Весьма интересна с точки зрения практического применения лазера, и возбуждаемого с помощью него люминесценция в генетических структурах
,проходящая также по двухквантовому механизму, работа Агальтсова А.М., Гаряева П.П., Горелик В.С., Щеглова В.А.
Как говорилось выше очень много исследований по двухквантовым фотопроцессам связаны с лазерной техникой.
Кузнецова Р.Т., Копылова Т.Н., Дегтяренко К.М., Сергеев А.К., Майер Г.В., Афанасьев Н.Б. в своих статьях исследуют фотохимические и фотофизические процессы в лазерно-активных средах диапазона 400 нм. Причем многоие из из них рассматриваются как двухквантовые(фотоионизация ароматических углелеводородных соединений с выбросим электрона в среду). Показано что при определённых условиях процессы могут менять свой характер, переходя от двухквантового к одноквантовому и наоборот.
Лохмана В.Н., Макарова Г.Н., Рябова Е.А. показана возможность разделения изотопов углерода методом ИК многофотонной диссоциации молекул CF2HClс разделительным реактором в резонаторе лазера как это влияет на мощностно- временные характеристики газового лазера.
Босый О.Н., Ефимов О.М. вывели и исследовали закономерности и механизм эффекта накопления в условиях многофотонной генерации центров окраски.
Также рассматривалась работа Акманова А.Г., Жданова Б.В., Шакирова Б.Г. , где они исследовали двухфотонное поглощение и оптическое ограничение ИК излучения в антимониде галлия n-типа, и связанные с этим явлением преимущества и возникающие сложности в полупроводниковых лазерах.
Глава I. §1. Эффект Шпольского. Методы количественного анализа.
В настоящее время огромное значение в физико-химических исследованиях приобрели спектральные методы. Важное практическое значение имеют разнообразные спектрально-аналитические методы, к числу которых относится молекулярный спектральный анализ.
Широкие возможности для развития молекулярного спектрального анализа появились благодаря открытию в 1952 г. профессором Э. В. Шпольским с сотрудниками эффекта тонкой квазилинейчатой структуры электронных спектров многоатомных молекул [6]. Такие спектры получили название квазилинейчатых, а эффект расщепления молекулярных спектральных максимумов в узкие квазилинии—«эффекта Шпольского».
Смысл эффекта, открытого Э. В. Шпольским, в том, что исследуемые молекулы, внедряясь в кристаллическую решетку соответствующим образом подобранной матрицы, при низкой температуре находятся в состоянии, к которому применима модель «ориенти-рованного газа». В этом состоянии молекулы лишены возможности свободно вращаться, находятся на больших расстояниях друг от друга, не могут взаимодействовать между собой, а из-за нейтральности растворителя и с молекулами последнего. Все это снимает сильные взаимодействия, вызывавшие размывание спектра, И благодаря этому молекула обнаруживает свои электронные и колебательные состояния [7, 8].
Такой эффект достигается растворением в одном из специально подобранных растворителей и последующим замораживанием при температуре кипения азота (t = —196°С) или более низкой.
Растворитель должен при замерзании легко кристаллизоваться,
быть нейтральным по отношению к внедренным молекулами оптически прозрачным в той области, где поглощают и излучают
внедренные в него молекулы. Этим качествам очень хорошо удовлетворяет класс нормальных парафиновых углеводородов от н-пентана до н-декана и выше [7, 8].
В последнее время диапазон растворителей, в которых соблюдаются описанные выше условия, значительно расширился, включив в себя и высшие спирты и в некоторых случаях даже такие соединения, как дибензиламиноэтанол [9]. Кристаллическая решетка, в которую внедряются исследуемые молекулы, является для них жесткой матрицей, куда молекулы помещаются, по-видимому, без существенной деформации, но и без излишней свободы [8, 11]. При этом было выяснено, что если для соединений линейной структуры (нафталин, антрацен и т. д.) необходима близость линейных размеров у молекул растворителя и примеси [12—14], то для более сложных молекул такое соответствие не является необходимым условием возникновения квазилинейчатого спектра [15, 16]. Решающая в ряде случаев роль геометрии (аналогии размеров и формы примесных молекул и молекул растворителя) наталкивает авторов [10, 13] на мысль, что характер внедрения примесной молекулы в кристаллическую решетку растворителя похож на химические системы, называемые соединениями включения [18], где примесные молекулы могут находиться или в полости отдельной молекулы растворителя (но для этого требуются относительно большие молекулы последнего, молекулярный вес которых больше 1000) или в полости, образованной в пространственной решетке растворителя в результате совместного расположения многих маленьких молекул [10,11, 14]. Такие соединения образуют однородную систему, где молекулы объединены не химическими, а ван-дер-ваальсовыми силами связи. В первую очередь здесь важна чисто пространственная конфигурация компонентов соеди-нения.
Способность растворителя при замерзании кристаллизоваться имеет большое значение для получения таких дискретных спектров, так как в растворителях, дающих при замерзании стеклообразную массу (например, в спиртах или их смесях), эффект столь резкого сужения спектральных полос не наблюдался [19].
При соблюдении всех этих условий удалось получить спектры люминесценции и поглощения, где вместо обычных диффузных полос шириной ~ и более наблюдается большое число резких и узких (~ ) линий [20,21]. Такие спектры по-лучили название квазилинейчатых.
Рядом работ было доказано [22—24, 25], что эти спектры принадлежат молекулам растворенного вещества, а не каким-нибудь кристаллическим агрегатам.
Так как примесная молекула находится в кристаллической решетке растворителя, то последняя, очевидно, должна оказывать свое влияние на примесные молекулы. В квазилинейчатых спектрах это проявляется в сдвиге всего спектра на по сравнению со спектром свободных молекул газа. «Сжатие» молекулы в кристаллической решетке растворителя должно привести к тому, что вместе с исчезновением трансляционных (связанных с взаимодействием молекул между собой) и вращательных степеней свободы (движений) возникают коллективные колебания решетки. Все это должно привести к тому, что когда возбуждается примесная молекула, часть энергии ее электронного перехода превращается в колебания решетки растворителя. Это должно размыть спектр и сдвинуть головные линии в спектрах поглощения и излучения друг относительно друга. В парафиновых растворителях мы наблюдаем резкий квазилинейчатый спектр в твердом кристаллическом теле и строго резонансный характер головных линий этого спектра.
Для того чтобы объяснить это явление, Ребане и Хижняков в своей работе [26] обратили внимание на аналогию между механизмом возникновения в твердом кристаллическом теле -линий с естественной шириной в эффекте Мессбауэра и узких линий в оптическом квазилинейчатом спектре в эффекте Шпольского. Теоретическое обоснование возможности получения таких спектров и оптической области приведено в работах Трифонова [27], Ребане и Хижнякова [28], где рассмотрены взаимодействия при-месной молекулы с основным кристаллом и авторы пришли к выводу о возможности безфононных электронных переходов, которые и приводят к появлению квазилинейчатых спектров.
Во многих случаях каждому электронно-колебательному переходу в квазилинейчатых спектрах соответствует целая группа линий. Структура ее не изменяется вдоль всего спектра флуоресценции или фосфоресценции, но очень сильно зависит от растворителя и условий кристаллизации раствора. Такие группы получили название мультиплетов. Так, например, квазилинейчатые спектры коронена и пирена в н-гексане состоят из дублетов [29, 25,30], а «мультиплеты» 3,4-бензпирена в н-гептане состоят из 4 компонентов [29,7]. В последнее время в качестве наиболее вероятной была принята гипотеза [7], согласно которой разные компоненты мультиплета принадлежат разным пространственно разделенным примесным молекулам, отличающимся характером взаимодействия с кристаллической решеткой растворителя. В этом случае их спектры сдвинуты в шкале частот друг относительно друга на определенные расстояния. Однако очень большая сложность мультиплетов, наблюдаемых в спектрах при 4°К [7], наличие в области перехода в спектрах ряда молекул нерезонансных линий [30, 31, 7], существенное различие в характере мультиплетов в спектрах родственных соединений, имеющих одинаковые геометрические размеры и форму в одном и том же растворителе [31, 32], заставили авторов работы [29] более детально исследовать вопрос о природе «мультиплетов» в спектрах Шпольского. В этой работе приводятся экспериментальные факты, свидетельствующие о том, что по крайней мере часть линий сложных мультиплетов может быть связана с одним и тем же излучающим центром, с наличием у него близко расположенных уровней. Последнее авторы связывают, в частности, со снятием вырождения по симметрии в результате воздействия на молекулярные электронные уровни внешнего кристаллического поля или взаимодействия внутримолекулярных электронных и колебательных движений. Методы анализа, основанные на использовании квазилинейчатых спектров, нашли широкое применение в онкологии, гигиене и санитарии в связи с проблемой, профилактики канцерогенных воздействий [6, 7,34], в геохимии при изучении органического вещества земной коры, сопровождающего различные геологические процессы, в том числе связанные с образованием полезных ископаемых [7], на производстве при исследовании изменений углеводородного состава в процессе термической обработки искусственных топлив и пеков [ 33, 7] и как метод контроля степени чистоты вещества [35].
Такое широкое применение стало возможным благодаря разработке методов качественного и количественного [7, 6] анализов сложных молекул по квазилинейчатым спектрам их люминесценции.
Очевидно, первое количественное применение (полуколичественное) ,используя квазилинейную флуоресцентную эмиссию успешно было выполнено Богомоловым и др.[7] , когда был достигнут полуколичественный метод анализа 3,4 бензпирена (в н-гексане при 77 К),базировавшийся на числе линий, присутствующих в спектре, при концентрации 21 линия были видимы, несмотря на nо, что только 4 линии наблюдались при концентрации . Ильина и Персонов предложили метод для определения перилена в ароматический фракции масел и битумах[36]. Определение было выполнено по оценке содержания перилена в образцах, сравнивая с флуоресцентным спектром искусственных смесей, сделанных из подобного масла о прибавленной хорошо известной концентрацией перилена.
Муель и Лакрос[50], работая в лаборатории Пастера ( Институт Радия, Париж), описали первые количественные методы анализа для 3,4 бензпирена (при 83 К) в н-октане, когда было предложено использование методики стандартной примеси, обычно используемой в пламени фотометрии. Используя этот метод, Муель и Лакрос получили точность ±10 % и предел обнаружения для концентрации . Метод стандартной примеси был использован, чтобы избежать изменений, обусловленных самопоглощением, эффект для чужих ионов или молекул и изменение интенсивности обусловлены изменением в скорости замораживания, В этой прекрасной работе также было исследовано практическое применение.
Эта работа вскоре была завершена Дикуном [34], который в 1961 г изобрёл метод для определения 3,4 бензпирена при 77 К, используя 1,12 бензперилен как внутренний стандарт и н-гексан как раствор. Пропорциональность между линиями наблюдалась только при низких концентрациях ( меньше чем или≈ ), и относительная ошибка, для 15 анализов была ± 8%. Этот метод был сравнён со спектрометрическим методом поглощения и заметное улучшение в чувствительности ( 100 раз ) наблюдалось с новым методом Автор также заметил, что наличие 1,12 бензперилена , который обычно присутствует в такой же хромотографической фракции не мешает, как обычно случается в методе поглощения.
Персонов[38] независимо изобрёл подобный метод внутреннего стандарта в н-октане при 77 К. Антрацен, пирен, перилен, 1,12 бензперилен и коронен были опробованы как внутренние стандарты. перилен и коронен дали фактически отчётливую флуоресценцию. Перилен, однако, имеет большое число интенсивных поглощают групп, которые в результате искажают соответствующую часть флуоресцентного спектра 3,4 бензпирена, коронен был попользован, как внутренний стандарт Персонов также наблюдал, что отношение интенсивностей ( ) было чрезвычайно чувствительно к изменениям в скорости замораживания также, если образцы имели флуоресценцию тушителей, которая видоизменяла интенсивности 3,4 бензпирена и коронена в различные стороны, было замечено что это приводило к изменениям в отношении интенсивности для их линий. Используя метод внутреннего стандарта, Прохорова и Знаменский[39] обнаружили концентрацию в парафине. Успехи и трудности, связанные с аналитическим применением эффекта Шпольского были описаны в 1962 году Шпольским и Персоновым[40].
Эйчхоф и Кёхлер[49] исследовали люминесцентные характеристики антрацена, 3-метилколантрацена и 3,4 бензпирена при 79 К в н-гептане; в последнем из них была достигнута зависимость интенсивности от концентрации. Относительная ошибка была 6,4 % при концентрации , предел обнаружения был .
Персонов и Теплицкая[41], используя метод абсолютных интенсивностей и метод примесей определили 3,4 бензпирен, перилен и 1,12 бензперилен в органических материалах из минералов и горных пород. Используя настоящий образец, сравнение было сделано между прямым методом и методом стандартных примесей и были получены очень похожие результаты для перилена и 1,12 бензперилена .
Персонов и Теплицкая ,однако, поднимают вопрос о том, что если образец известен не как тушитель флуоресценции и точные требования не налагаются на величину ошибки, анализ может быть в таких случаях проведен, используя метод сравнения со стандартным раствором правильнее, чем со средним числом большинства точных методов стандартных примесей[41].
Ягер и Лугрова[42] после исследования синтетических смесей, также показали, что количество 3,4 бензпирена, найденное после анализов, было всегда меньше, чем количество прибавленное ( -7 -10 % ). Авторы объясняют этот эффект ,как причину интерференции других компонентов, присутствующих в смеси. Также было найдено, что высоконцентрационная граница для анализа 3,4 бензпирена в конечном растворе была , будучи оптимальной при типичном значении .
Данильцева и Хесина [43] установили метод для анализа, 7,12-демитилбензоантрацена в н-октане при 77 К. Предложенный метод был комбинацией двух методов стандартной примеси и внутреннего стандарта (комбинированный метод): 3,4,5,6,7-трибензопирен (ТВР) был выбран внутренним стандартом, так как это соединение имеет отчётливый квазилинейный флуоресцентный спектр в н-октане и, следовательно, не искажает аналитику квазилинейного испускания.
Дикун и др [34] сравнили комбинированный метод, описанный выше с методом внутреннего стандарта и методом примесей для анализа 3,4 бензпирена в н-октане при 77 К. 1,12 бензперилен, был использован как стандарт для методов внутреннего и комбинированного. Это сравнение показало, что большая разница в результатах была получена, когда был использован метод примесей (+ 29 %),и похожие результаты ( 8 - 10 %) были получены, когда был использован или метод внутреннего стандарта, или комбинированный метод.
Дикун со своими сотрудниками, однако, поднимают вопрос о том, что когда анализируются реальные образцы, существует возможность, что они включают другие вещества, которые могут тушить флуоресценцию излучаемых соединения. Согласно Персонову и Теплицкой[41] такие соединения хотя они не представляют реальной проблемы ни в комбинированном методе ни в методе примесей - могут мешать в методе внутреннего стандарта. Количественные анализы для 3,4 бензпирена, сделанные Дикуном и его сотрудниками, в различных образцах, используя внутренний стандарт или комбинированный метод, показывают, что результаты представляют расхождения, но не было возможности прийти к определённому выводу, что примеси, которые присутствуют в образцах были ответственны за различия[34]. Эти сотрудники сделали вывод, что опасность тушения веществами, которая появляется в методе внутреннего стандарта сильно переоценивается Персоновым и Теплицкой.
Из всего вышесказанного ясно, что методы спектрального анализа нашли самое широкое применение и в медицине и в нефтеперерабатывающей промышленности и в фундаментальных исследованиях. Поэтому важную роль при использовании спектров органических соединений играет их достоверность и точность, а это не всегда возможно в силу многих причин.
§2. Факторы, влияющие на точность спектрального анализа.
Резкие квазилинейчатые спектры люминесценции (и поглощения) обладают рядом особенностей, которые позволяют эффективно использовать их в аналитических целях. Эти особенности квазилинейчатых спектров люминесценции сделали их наиболее тонким и точным современным аналитическим методом и указывают на целесообразность и перспективность применения его для спектрохимического анализа многокомпонентных природных смесей[6,7].
1. Специфичность
Тонкость, многочисленность и индивидуальное расположение полос в спектре люминесценции каждого углеводорода позволяют осуществить достоверную идентификацию.
2. Селективность
Позволяет обнаруживать индивидуальные соединения в сложных смесях, когда доля вещества так мала, что спектр флуоресценции при обыкновенной температуре дает лишь слабый намек или вообще не дает указаний на его присутствие.
3. Чувствительность
Чувствительность обнаружения индивидуального углеводорода в «чистых» растворах н-парафинов достигает [7]. Т. е. превосходит на 2—3 порядка чувствительность обычного люминесцентно-спектрального анализа при комнатной тем-пературе и намного превосходит чувствительность методов колебательных спектров.
С помощью квазилинейчатых спектров возможно определение отдельных индивидуальных органических соединений (одновременно 4—5 веществ) в многокомпонентных смесях даже тогда, когда они входят в смесь в виде следов и анализ другими методами невозможен.
Анализ имеющихся экспериментальных данных показывает, что характер квазилинейчатого спектра зависит от условий образования смешанного кристалла (растворитель — вещество). Оптические свойства образовавшегося поликристаллического раствора определяются свойствами растворителя, условиями кристаллизации раствора, наличием люминесцирующей примеси, характером взаимодействия между ними и содер-жанием в растворе других компонент.
Растворители. Для получения дискретных спектров флуоресценции и поглощения ароматических углеводородов удобными растворителями оказались нормальные парафины, хотя в ряде исследований была показана пригодность для этих целей других жидкостей, кристаллизующихся при замораживании: Для каждого соединения удается подобрать один или группу н-парафинов, в которых условия для возникновения квазилинейчатых спектров наиболее благоприятны. В частности, для соединений с линейной структурой (полиацены, полифенилы, дифенилполиены и т.д.) наиболее резкие спектры наблюдаются в тех случаях, когда линейные размеры молекул растворителя близки к линейным размерам молекул примеси. Меняя растворитель, удается выделить квазилинейчатые спектры различных компонент смеси.
Концентрации. Выбор оптимальных концентраций исследуемого вещества в «чистом» растворителе диктуется следующими соображениями. Как отмечалось ранее в ряде работ [6,7], квазилинейчатый характер имеют спектры молекул, находящихся в замороженном растворе в состоянии так называемого «ориентированного газа», т. е. для этого необходимы небольшие концентрации примесных молекул. Увеличение концентрации приводит к возникновению взаимодействия между молекулами примеси, к миграции энергии между различными компонентами сложной смеси и, возможно, к образованию агрегатов примесных молекул. Это в свою очередь способствует «размыванию» спектра и появлению полос в более длинноволновой области.
Существуют данные о влиянии примеси и на характер кристаллической структуры матрицы, возникающей при замораживании. Под влиянием высоких концентраций растворенного вещества в некоторых участках происходит перестройка матрицы — растворителя, что приводит к изменению характера квазилинейчатого спектра растворенных молекул.
Скорость охлаждения. В ряде работ [7, 32] показано, что характер и структура квазилинейчатых спектров сильно зависят от скорости охлаждения раствора. Обычно кюветы или пробирки с исследуемым раствором быстро погружаются в жидкий азот. В таком случае говорят о быстром замораживании. Однако скорость замораживания раствора существенно зависит от объема и формы кюветы. Можно предположить, что наружные слои раствора замерзают довольно быстро, а внутренние могут промерзать значительное время. В результате условия образования кристаллического раствора в разных частях кюветы неодинаковы, что сказывается на характере спектра излучения и еще сильнее на спектре поглощения. В тонких слоях (100 мкм и меньше) кристаллизация проходит быстрее, и это может приводить к существенным спектральным изменениям[37].
Влияние кислорода. Известно, что все растворители при комнатной температуре и атмосферном давлении содержат то или иное количество растворенного в них кислорода. Так, например, в н-гексане при этих условиях растворено кислорода. Известно также, что люминесценция полициклических ароматических углеводородов в растворе н-парафинов при комнатной температуре подвержена сильному кислородному тушению. Например, люминесценция 3,4-бензпирена и 1,12-бензперилена в н-гексане при комнатной температуре тушится кислородом в 10 раз. Однако при понижении температуры раствора до 77°К растворенный в н-гексане кислород перестает оказывать влияние на интенсивность квазилиний флуоресценции этих соединений. Но при замораживании раствора в открытой кювете происходит сильная конденсация газообразного кислорода из окружающего воздуха, что приводит к частичному падению интенсивности люминесценции в результате воздействия конденсированного кислорода на люминесцирующие молекулы .
Условия возбуждения. Для возбуждения люминесценции образца необходимо, чтобы длина волны возбуждающего света попадала в область поглощения исследуемой молекулы. Выбор оптимальных условий возбуждения для данной смеси можно производить также с помощью спектров возбуждения. Возбуждение свечения исследуемого раствора длинами волн, соответствующими наиболее интенсивным полосам спектра возбуждения, будет давать наиболее интенсивные и частично дифференцированные спектры люминесценции сложной смеси.
Мультиплетность. Квазилинейчатые спектры обладают своеобразной особенностью: в целом ряде случаев каждому электронно-колебательному переходу в спектре соответствует группа линий, повторяющихся часто по всему спектру и получивших название мультиплетов. Одной из причин возникновения мультиплетов является наличие нескольких типов излучающих центров,- находящихся в различных локальных условиях, что приводит к смещению электронных уровней, в то время как расположение колебательных подуровней при этом остается неизменным . Объяснение происхождения мультиплетной структуры спектров не исчерпывается гипотезой разных центров. Некоторые из компонент мультиплета могут быть связаны с наличием близко расположенных уровней у одного и того же излучающего центра [7].
Учет влияния примесей в растворителе. Растворители, используемые для получения квазилинейчатых спектров, могут содержать как растворимые, так и нерастворимые примеси. Растворимые примеси могут обладать собственной люминесценцией и могут выступать в роли так называемого внутреннего фильтра, когда они поглощают или возбуждающий свет, или люминесценцию исследуемых молекул. При высоких концентрациях такие примеси могут участвовать во всевозможных процессах миграции энергии между компонентами раствора, а также способствовать перестройке матрицы растворителя и т.д.
На нерастворимых и плохо растворимых примесях при обычном способе замораживания раствора, как на центрах кристаллизации, может происходить быстрый рост кристаллов н-парафина, и тем самым могут создаваться условия, как бы имитирующие ускоренное замораживание со всеми его преимуществами. Роль таких примесей становится еще более эффективной, если они могут служить акцептором - энергии возбуждения агрегатов исследуемых молекул в случае высокой концентрации последних. Попадание примеси в агрегации и кристаллы исследуемых молекул приводит к исчезновению диффузных спектров агрегатов, наложенных на квазилинии, что значительно облегчает анализ. При проведении анализа иногда бывает целесообразно специально вносить такие примеси в исследуемую смесь [31,44, 41].
Влияние предварительного облучения. Известно, что некоторые[6] органические соединения под влиянием облучения ультрафиолетовым светом испытывают фотохимические превращения. Поэтому во время анализа сложных смесей таких соединений при рассмотрении их растворов под ультрафиолетовой лампой при комнатной температуре или во время установки ампулы (кюветы, пробирки) с раствором в дьюаре с жидким азотом облучение исследуемого объекта необходимо свести к минимуму, т. е. рассматривать под УФ-лампой минимальное время и устанавливать ампулу в дьюаре при перекрытом пучке ультрафиолетового излучения. Аналогично время рассмотрения хроматограмм на колонке, в тонком слое и на бумаге под ультрафиолетовыми лучами необходимо также свести к минимуму. Фотохимические превращения в растворах сложных углеродистых смесей могут происходить и под воздействием рассеянного дневного света. В работе Р..И. Персонова [31] описано, как в растворе перилена в хлороформе после 15-минутного облучения рассеянным дневным светом обнаружилось присутствие не перилена, а неизвестного соединения, квазилинейчатый спектр люминесценции которого сдвинут по отношению к спектру перилена в более длинноволновую сторону. Автор предполагает, что этот спектр мог принадлежать одному из хлор-производных перилена, образовавшемуся в хлороформе под воздействием дневного облучения. Под воздействием возбуждающего излучения в исследуемом веществе могут возникать различные процессы, приводящие к ошибкам в анализе. Остановимся на процессах, носящих двухквантовый характер.