Spektrometrické metody. Luminiscenční spektroskopie

Podobné dokumenty
Luminiscence. Luminiscence. Fluorescence. emise světla látkou, která je způsobená: světlem (fotoluminiscence) chemicky (chemiluminiscence)

Barevné principy absorpce a fluorescence

Luminiscence. emise světla látkou, která je způsobená: světlem (fotoluminiscence) fluorescence, fosforescence. chemicky (chemiluminiscence)

Moderní nástroje pro zobrazování biologicky významných molekul pro zajištění zdraví. René Kizek

SPEKTRÁLNÍ METODY. Ing. David MILDE, Ph.D. Katedra analytické chemie Tel.: ; (c) David MILDE,

Barevné principy absorpce a fluorescence

ATOMOVÁ SPEKTROMETRIE

Anizotropie fluorescence

Elektromagnetické záření. lineárně polarizované záření. Cirkulárně polarizované záření

4 Přenos energie ve FS

1. Principy fluorescenční spektroskopie

INSTRUMENTÁLNÍ METODY

Fluorescenční rezonanční přenos energie

Fluorescence (luminiscence)

FLUORIMETRICKÉ STANOVENÍ FLUORESCEINU

Úvod do spektrálních metod pro analýzu léčiv

Přednáška IX: Elektronová spektroskopie II.

Optické spektroskopie 1 LS 2014/15

Speciální spektrometrické metody. Zpracování signálu ve spektroskopii

Luminiscence. Luminiscence. Fluorescence. emise světla látkou, která je způsobená: světlem (fotoluminiscence) chemicky (chemiluminiscence)

Zdroje optického záření

- Rayleighův rozptyl turbidimetrie, nefelometrie - Ramanův rozptyl. - fluorescence - fosforescence

KOMPLEXY EUROPIA(III) LUMINISCENČNÍ VLASTNOSTI A VYUŽITÍ V ANALYTICKÉ CHEMII. Pavla Pekárková

Optoelektronika. elektro-optické převodníky - LED, laserové diody, LCD. Elektronické součástky pro FAV (KET/ESCA)

7. Měření fluorescence při excitaci kontinuálním světlem ( steady-state )

ATOMOVÁ SPEKTROMETRIE

Spektroskopické metody. převážně ve viditelné, ultrafialové a blízké infračervené oblasti

Metody nelineární optiky v Ramanově spektroskopii

Vybrané spektroskopické metody

Diskutujte, jak široký bude pás spojený s fosforescencí versus fluorescencí. Udělejte odhad v cm -1.

13. Spektroskopie základní pojmy

Spektrometrické metody. Reflexní a fotoakustická spektroskopie

12. Zhášení fluorescence

OPVK CZ.1.07/2.2.00/

Laserová technika prosince Katedra fyzikální elektroniky.

Úvod do laserové techniky KFE FJFI ČVUT Praha Michal Němec, Plynové lasery. Plynové lasery většinou pracují v kontinuálním režimu.

ABSORPČNÍ A LUMINISCENČNÍ SPEKTROMETRIE V UV/Vis OBLASTI SPEKTRA

Metody spektrální. Metody molekulové spektroskopie. UV-vis oblast. Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti

ABSORPČNÍ A EMISNÍ SPEKTRÁLNÍ METODY

Základy Mössbauerovy spektroskopie. Libor Machala

Teorie Molekulových Orbitalů (MO)

Úvod do moderní fyziky. lekce 3 stavba a struktura atomu

Elektronová a absorpční spektroskopie, Vibrační spektroskopie (absorpční a Ramanova rozptylu)

Emise vyvolaná působením fotonů nebo částic

Fyzika IV Dynamika jader v molekulách

Ustálená fluorescence (Steady State Fluorescence)

ABSORPČNÍ A LUMINISCENČNÍ SPEKTROMETRIE V UV/VIS OBLASTI SPEKTRA

Úvod do laserové techniky

Interakce fluoroforu se solventem

SPEKTROSKOPICKÉ VLASTNOSTI LÁTEK (ZÁKLADY SPEKTROSKOPIE)

Born-Oppenheimerova aproximace

Doporučená literatura

SPEKTROSKOPICKÉ VLASTNOSTI LÁTEK

Luminiscence. Luminiscence = studené světlo Inkandescence = teplé světlo

nano.tul.cz Inovace a rozvoj studia nanomateriálů na TUL

Molekulová spektroskopie 1. Chemická vazba, UV/VIS

7 Fluorescence chlorofylu in vivo

Kmity a rotace molekul

ENERGETICKÉ INTERAKCE DONOR-AKCEPTOROVÝCH PÁRŮ PRO PŘEMĚNU SLUNEČNÍ ENERGIE

Spektroskopie v UV-VIS oblasti. UV-VIS spektroskopie. Roztok KMnO 4. pracuje nejčastěji v oblasti nm

Barevné hry se světlem - co nám mohou říci o biomolekulách?

PSK1-14. Optické zdroje a detektory. Bohrův model atomu. Vyšší odborná škola a Střední průmyslová škola, Božetěchova 3 Ing. Marek Nožka.

Nukleární Overhauserův efekt (NOE)

Barevné hry se světlem - co nám mohou říci o biomolekulách?

Nukleární Overhauserův efekt (NOE)

Měření šířky zakázaného pásu polovodičů

Jiří Oswald. Fyzikální ústav AV ČR v.v.i.

Metody charakterizace nanomaterálů I

E g IZOLANT POLOVODIČ KOV. Zakázaný pás energií

6. Metody molekulové spektroskopie spektrofotometrie, luminiscenční metody

(Návod k praktiku) Produkty. I.typ II.typ. X 1 Σ + g nm nm. Kyslík

12. seminář. Nefelometrie a turbidimetrie Chiroptická aktivita (Polarimetrie) Interferometrie Fotoluminiscenční spektroskopie

VIBRAČNÍ SPEKTROMETRIE

MODERNÍ METODY CHEMICKÉ FYZIKY I lasery a jejich použití v chemické fyzice Přednáška 5

Symetrie Platonovská tělesa

SPEKTROSKOPIE NUKLEÁRNÍ MAGNETICKÉ REZONANCE

přičemž předpokládáme A malé, U zahrnuje coulombické členy. Když roznásobíme závorku, p 2 reprezentuje kinetickou energii nabitých částic, člen

Charakteristiky optického záření

16. Franck Hertzův experiment

Víceatomové molekuly s jedním centrálním atomem

Symetrie Platonovská tělesa

Přednášky z lékařské biofyziky Biofyzikální ústav Lékařské fakulty Masarykovy univerzity, Brno

Plazmové metody. Základní vlastnosti a parametry plazmatu

Spektroskopie subvalenčních elektronů Elektronová mikroanalýza, rentgenfluorescenční spektroskopie

TECHNICKÁ UNIVERZITA V LIBERCI

ABSORPČNÍ A LUMINISCENČNÍ SPEKTROMETRIE V UV/Vis OBLASTI SPEKTRA

FRET FRET. FRET: schéma. Základní vztahy. Základní vztahy. Fluorescence Resonance Energy Transfer

Dokumentace projektu. Fotoluminiscence. Autorky: Kateřina Limburská, Tereza Fleková Vedoucí projektu: Zdeněk Polák

Viková, M. : ZÁŘENÍ II. Martina Viková. LCAM DTM FT TU Liberec, (hranol, mřížka) štěrbina. Přednášky z : Textilní fyzika

Hamiltonián popisující atom vodíku ve vnějším magnetickém poli:

Luminiscenční spektroskopické metody

Šířka a tvar spektrální čáry Martin Šubr, 2013

Laserové technologie v praxi I. Přednáška č.2. Základní konstrukční součásti laserů. Hana Chmelíčková, SLO UP a FZÚ AVČR Olomouc, 2011

Neživá příroda I. Optické vlastnosti minerálů

Laserová technika prosince Katedra fyzikální elektroniky.

Typy přechodů. Luminiscence a struktura látek E. Základní pravidla. Struktura organických molekul a luminiscence základní pravidla

Laserová technika 1. Rychlostní rovnice pro Q-spínaný laser. 22. prosince Katedra fyzikální elektroniky.

NMR spektroskopie rádiové frekvence jádra spinovou rezonancí jader spinový moment lichý počet

Transkript:

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

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.

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

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).

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

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

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 ~ 10-4 -10-5, τ ~1-100 μs

Luminiscence organických molekul Pravidlo zrcadlového posuvu absorpčních a fluorescenčních spekter

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.

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.

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.

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

Doba života fluorescence V případě rezonanční fluorescence (u spinově povolených přechodů) lze pro zářivou dobu života odvodit vztah (Bowen, Wokes): 1 9 2 2 = 2.88 10 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 2000-5000 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: 1 10000 ε max τ

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 = 21 1 2πτ 21 Δω 21 ω 21 Frekvence

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 = 10-12 s) pulzy dostaneme: Δλ = 0.132 nm Pro femtosekundové (τ = 10-15 s) pulzy: Δλ = 132 nm 1

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

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.

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.

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