Spektrometrické metody. Luminiscenční spektroskopie

Transkript

1 Spektrometrické metody Luminiscenční spektroskopie luminiscence molekul a pevných látek šířka spektrální čar a doba života luminiscence polarizace luminiscence korekce luminiscenčních spekter vliv aparatury na šířku spektrální čáry

2 Luminiscenční spektroskopie poskytuje informace o elektronových a elektronově-vibračních přechodech. Hlavní oblasti aplikací: kvalitativní analýza kvantitativní analýza studium interakce molekul s prostředím studium intra- a intermolekulárních interakcí. Luminiscence je jev zářivé deexcitace látky. Definujeme ho jako: 1. nerovnovážné záření, které je přebytkem nad rovnovážným tepelným záření, 2. záření, které následuje s časovým zpožděním od excitace.

3 Luminiscence Podle způsobu excitace rozlišujeme různé druhy luminiscence: typ luminiscence fotoluminiscence chemiluminiscence bioluminiscence elektroluminiscence termoluminiscence katodoluminiscence sonoluminiscence radioluminiscence triboluminiscence způsob excitace foton chemická reakce biochemický proces injekce elektronu nebo díry tepelná energie katodové paprsky (e - ) ultrazvuk γ-záření tření

4 Fotoluminiscenční charakteristiky Intenzita fotoluminiscence závisí na intenzitě budícího záření absorbovaného vzorkem, kvantovém výtěžku fotoluminiscence a vlnové délce záření. Fotoluminiscenční spektrum je závislost intenzity fotoluminiscence na vlnové délce (frekvenci, energii fotonu). Kvantový výtěžek udává poměr absorbovaného a emitovaného záření. Doba života doba, za kterou intenzita luminiscence klesne na 1/e. V případě složitějšího průběhu dohasínání definujeme dobu života nejčastěji jako dobu poklesu intenzity luminiscence na 50% a značíme τ 50. Polarizace udává směr roviny polarizace luminiscence. Při buzení fotony o definované rovině polarizace závisí rovina polarizace luminiscence na typu přechodu (symetrie).

5 Elektronové přechody v molekulách I ~ <Ψ 2 M Ψ 1 > 2 Ψ = Ψ e Ψ n χ M -přechodový moment Výběrová pravidla: multiplicita, symetrie Experimentální charakteristiky: energie přechodu, doba života, polarizace, kvantový výtěžek

6 Zářivé a nezářivé procesy deexcitace Zářivé procesy: 1. fluorescence 2. fosforescence 3. zpožděná fluorescence Nezářivé procesy: 1. vibrační relaxace 2. vnitřní konverze 3. vnější konverze/přenos energie 4. mezisystémový přechod 5. disociace 6. predisociace

7 Fotoluminiscence v pevných látkách V pevných látkách je fotoluminiscence spojena s přechodem elektronu z vodivostního pásu do valenčního pásu. Podle polohy minima vodivostního a maxima valenčního pásu rozlišujeme polovodiče s přímým a nepřímým zakázaným pásem. Tyto dva typy přechodů se zásadně liší hodnotami fotoluminiscenčních parametrů. E E hω hω hω η ~ 1, τ ~1 ns k k η ~ , τ ~1-100 μs

8 Luminiscence organických molekul Pravidlo zrcadlového posuvu absorpčních a fluorescenčních spekter

9 Luminiscence organických molekul Kashovo pravidlo Po excitaci organické látky do vyšších excitovaných (singletních) stavů dochází vzhledem k rozdílu energetických hodnot mezi vyššími excitovanými stavy k vnitřní konverzi na hladinu S 1. K fluorescenci dochází z prvního excitovaného singletního stavu. Pokud dochází k fluorescenci z vyšších excitovaných stavů, mluvíme o horké fluorescenci.

10 Excitační fotoluminiscenční spektra V některých případech nelze charakterizovat danou látku pomocí absorpčního spektra: 1. látka vykazuje vysokou absorpci a existuje v dané formě pouze v oblasti vysokých koncentrací. 2. pevná látka, která není průhledná. Pokud látka vykazuje fotoluminiscenci, lze určit fotoluminiscenční excitační spektrum, které je podobné spektru absorpčnímu. Nezávisí-li kvantový výtěžek fotoluminiscence na vlnové délce excitace, je PLE spektrum totožné s absorpčním. Vavilovovo pravidlo Kvantový výtěžek F (složitějších) roztoků organických látek nezávisí na vlnové délce excitace.

11 Vztah mezi absorpcí a luminiscencí Intenzita fluorescence I f je dána vztahem: I = kη ( I I ) f F 0 T kde η F je kvantový výtěžek fluorescence. Uvážíme-li obor koncentrací kdy platí Lambert-Beerův zákon: lze I F vyjádřit vztahem: log I I 0 T = εcl ( εcl ) I = ki 1 10 k' I εcl k' = kln10 F 0 0 Přibližná rovnost platí dostatečně přesně pro εcl < 0.01.

12 Doba života fotoluminiscence Pravděpodobnost fotoluminiscenčního přechodu je dána Einsteinovým koeficientem spontánní emise: A = 3 8π hν 3 c Doba života fotoluminiscence τ je v případě exponenciálního doznívání rovna: τ = 1 A

13 Doba života fluorescence V případě rezonanční fluorescence (u spinově povolených přechodů) lze pro zářivou dobu života odvodit vztah (Bowen, Wokes): = ν n εν max, abs ( %) τ d % ν Tento přibližný vztah se často používá pro odhad doby života z absorpčního spektra. Další zjednodušení lze provést za předpokladu, že efektivní pološířky mnoha absorpčních pásů organických látek jsou při pokojové teplotě řádově cm -1. Pak lze integrál nahradit výrazem 3000 ε max. Pro většinu běžných rozpouštědel platí n 2 =2 a za předpokladu, že maximum absorpce leží kolem 400 nm, dostaneme vztah: ε max τ

14 Šířka spektrálních čar Z Heisenbergových relací neurčitosti energie a čas: ΔE Δt h plyne důležitý důsledek pro hodnoty dob života excitovaných hladin a přesnosti, s jakou lze určit energii přechodu mezi dvěmi hladinami E 1 a E 2. Doba života excitovaného stavu určuje tzv. přirozenou šířku spektrální čáry: Δ ω = 21 1 τ 21 resp. pro normální frekvence: Intenzita Δ f = πτ 21 Δω 21 ω 21 Frekvence

15 Laserové pulzy a šířka optického pásma Z Heisenbergova principu neurčitosti pro energie a čas plyne i důležitý důsledek pro šířku spektra pulzních zdrojů světla: Δ ν = 1 2πτ Používáme-li záření laseru, který emituje světlo v krátkých pulzech, musíme vzít v úvahu, jeho spektrální šířku. Uvažujeme-li pulz odpovídající vlnové délce λ = 500 nm, je příslušná šířka optického pásma Δλ: c c Δν Δ = c = λ ν 2 2 ν 1 ν c 2 πτ 2 λ Pro pikosekundové (τ = s) pulzy dostaneme: Δλ = nm Pro femtosekundové (τ = s) pulzy: Δλ = 132 nm 1

16 Rychlost procesů a luminiscenční parametry Celková rychlostní konstanta deaktivace hladiny S 1 : k = kf + kisc + kic + ket + kq = kr + knr určuje dobu života fluorescence: τ = k r 1 + k Kvantový výtěžek luminiscence (F, P) je definován vztahem: nr η = N N L A Kvantový výtěžek fluorescence η F (fosforescence η P ) souvisí s rychlostní konstantou k F (k P ) a rychlostí nezářivých procesů vztahem: η = F k r kr + k nr

17 Zhášení luminiscence Dynamické zhášení představuje nezářivý přenos energie z excitované molekuly na jiné molekuly. Jedná se o srážkový proces, který vyžaduje kontakt mezi luminoforem a zhášečem. Rychlost zhášení je řízená difůzí a závisí na teplotě a viskozitě roztoku. Kyslík rozpuštěný v rozpouštědle je účinným zhášečem tripletního stavu. Typická koncentrace ve většině rozpouštědel je 1 mm. Fosforescenci lze pozorovat po odstranění kyslíku (15 min probublávat inertním plynem), další nárůst kvantového výtěžku se dosahuje měřením vzorků v pevné matrici (zamrznutý roztok, měření při nízké teplotě). Statické zhášení je případ, kdy fluorofor (v základním stavu) a zhášeč vytváří stabilní komplex. Fluorescence je pozorována pouze u nevázaného fluoroforu. Zhášení přenosem energie (Försterovo zhášení) je případ nesrážkového zhášení, kdy fluorofor (v excitovaném stavu) přenáší energii na jiné molekuly dipól-dipólovým mechanizmem.

18 Polarizovaná luminiscence Pokud ozáříme roztok luminiskujících molekul lineárně polarizovaným světlem, budou excitovány pouze ty molekuly, které mají nenulovou složku průmětu svého absorpčního přechodového momentu do osy polarizace. Tomuto jevu se říká fotoselekce. O tom, zda-li se anizotropie systému projeví i v luminiscenci, rozhoduje systém, který měříme. U roztocích se závislost luminiscence na polarizaci projeví, pokud jsou depolarizační mechanizmy (zejména rotační difůze) dostatečně pomalé. Anizotropní systémy, nejčastěji uspořádané systémy (lipidové dvojvrstvy, kapalné krystaly, bílkoviny, zmrzlé roztoky molekul) naproti to mu vykazují významnou závislost na polarizaci budícího záření. Veličiny charakterizující polarizaci, vycházejí ze základních vlastností elektromagnetického záření.

19 Měření polarizované luminiscence Vzorek je excitován lineárně polarizovaným světlem, jež se šíří ve směru osy x a jehož elektrický vektor kmitá paralelně s osou z. Polarizace luminiscence je definována jednak pomocí stupně polarizace p: p = I I + I I Další důležitou veličinou je anizotropie a definována vztahem: a = I I I + 2I