Laboratorium specjalizacyjne Chemia sądowa ĆWICZENIE 2

Laboratorium specjalizacyjne
Chemia sądowa
ĆWICZENIE 2
WYZNACZANIE WYDAJNOŚCI KWANTOWYCH ORAZ CZASÓW ZANIKU
LUMINESCENCJI ZWIĄZKÓW W ROZTWORZE ORAZ CIELE STAŁYM, CZ. II.
Zagadnienia:
Zjawiska fosforescencji i fluorescencji
Wydajność kwantowa luminescencji
Czas życia stanu wzbudzonego
Celem ćwiczenia jest charakterystyka właściwości luminescencyjnych substancji w postaci
roztworów i ciał stałych, która obejmuje:
-określenie czasów zaniku luminescencji
-wyznaczenie wydajności kwantowych
WSTĘP
Wydajność kwantową fluorescencji Φf definiuje się jako stosunek liczby
wyemitowanych fotonów do liczby fotonów promieniowania wzbudzającego, pochłoniętych
przez substancję w tym samym czasie i tej samej objętości. Istnieje wiele czynników, które
wpływają na obniżenie wydajności kwantowej fluorescencji danej substancji. W ciekłych
roztworach zjawisko to zależy m.in. od:
- natury rozpuszczalnika,
- temperatury
- stężenia substancji luminezującej
- natury obcych domieszek
- stężenia obcych domieszek (tzw. wygaszaczy)
- pH.
Czas zaniku luminescencji:
Przejścia elektronów w cząsteczce z niższych poziomów na wyższe zachodzi dzięki
absorpcji
promieniowania,
odwrotnym
przejściom
towarzyszy
emisja.
Jednakże
prawdopodobieństwa tych przejść są różne i różne w związku z tym natężenia linii
widmowych. Pomiędzy wymuszoną absorpcją i spontaniczną emisją istnieje ścisły związek:
8
Anm -współczynnik emisji spontanicznej Einsteina,
Bmn - współczynnik absorpcji wymuszone Einsteina.
Jeśli wzbudzone cząsteczki B* ulegają dezaktywacji tylko przez emisję fluorescencji, to
natężenie fluorescencji, wynoszące z chwilą przerwania wzbudzania I0, maleje z upływem
czasu wykładniczo, zgodnie z równaniem:
⁄
Symbolem kf oznaczona została stała szybkości promienistego zaniku fluorescencji i stała ta
jest tożsama ze współczynnikiem emisji spontanicznej Einsteina Anm. Chwilowe natężenie
emisji jest proporcjonalne do chwilowej szybkości zaniku wzbudzonych cząsteczek B*,
1⁄
wyrażonej pochodną (-d[B*]/dt). W równaniu
oznacza naturalny średni czas
życia cząsteczek B* w stanie wzbudzonym i jest zależny jedynie od prawdopodobieństwa
samorzutnego przejścia promienistego B*→B. Korzystając z zależności pomiędzy
współczynnikiem emisji spontanicznej Einsteina Anm i współczynnikiem absorpcji
wymuszonej Einsteina Bmn i związku pomiędzy Bmn z integralnym współczynnikiem
absorpcji można wnosić, że wartość τ0 musi być odwrotnie proporcjonalna do εint.
Uproszczony wzór określający tę zależność, po podstawieniu liczbowych wartości stałych
fizycznych, przybiera postać:
3,44 ∙ 10
- liczba falowa odpowiadająca maksimum pasma absorpcji przejścia S1←S0, a
jest wyznaczonym eksperymentalnie molowym współczynnikiem absorpcji scałkowany
po całym paśmie absorpcji.
Ze schematu przedstawionego na rys. 1 wynika, że wzbudzony stan elektronowy
odpowiedzialny za fluorescencję ulega dezaktywacji również na inne sposoby, co prowadzi
do zależności:
gdzie:
średni mierzony doświadczalnie najkrótszy czas zaniku, po którym wartość
do wartości i wynosi:
maleje
1
kIC stała szybkości konwersji wewnętrznej (S1→So) i może zmieniać się w szerokich
granicach, często oceniana jest na 105-107 s-1;
kISC stała szybkości konwersji międzysystemowej i jej wartość jest zwykle zawarta
w granicach 105-1010 s-1;
kf stała szybkości emisji fluorescencji i wynosi 108-109 s-1, jeśli przejście S1→So jest
dozwolone wszystkimi regułami wyboru.
ĆWICZENIE 1. Wyznaczenie czasów zaniku metodą czasowo-skorelowanego zliczania
pojedynczych .fotonów (TCSPC).
Odczynniki
Aparatura pomiarowa
Odczynniki i próbki stałe z poprzedniego Spektrofluorymetr Edynburg FLS-980
ćwiczenia
LUDOX
Zestaw laserów/diod pikosekundowych
Wykonanie:
Ćwiczenie wykonujemy przy pomocy spekrofluorymetru Edynburg FLS-980,
który składa się z następujących podzespołów:

Źródło światła – źródło wzbudzenia powodujące fotoluminescencję próbki

Monochromator wzbudzenia –element umożliwiający wybór określonej długości fali
światła z pełnego spektrum źródła wzbudzenia

Komora próbek – komora obejmująca podzespoły optyczne i uchwyty próbek

Monochromator emisji – element umożliwiający wybór określonej długości fali
światła z pełnego spektrum emisji próbki

Detektor – urządzenie rejestrujące strumień fotonów emisji próbki przy wybranej
długości fali

Dedykowany PC – komputer z oprogramowaniem F980
Uruchomienie spektrofluorymetru do pracy z ciągłą lampą ksenonową:
1) Włączyć zespół PH1, który zasila spektrometr oraz układ gromadzenia danych.
Jednocześnie zostaną uruchomione zespoły chłodzące detektory, jeśli nie zespoły te
uruchomić.
2) Uruchom wentylator lampy ksenonowej. Znajduje się on w dolnej tylnej części
obudowy lampy.
3) Po zainicjowaniu działania lampy na ekranie w obudowie lampy pojawi się napis
„ready to start”. Lampę uruchamiamy srebrnym przyciskiem
4) Włączyć komputer i program F980.
W ćwiczeniu należy przygotować układ pomiarowy do pomiarów przy użyciu diody
lub lasera pikosekundowego. Laser lub diodę dobieramy tak, by maksymalnie pasowała
do długości fali wzbudzenia. Przesłona podczas montażu musi być bezwzględnie zasłonięta.
Podpięty laser lub diodę uruchamiamy za pomocą kluczyka, przekręcając w pozycję „1”.
Zapali się żółta migająca lampka. Gdy laser/dioda jest gotowy do pracy żółta lampka świeci
się ciągle. Uruchamiamy laser/diodę przyciskiem „ON”. Przy wciąż przesłoniętej przesłonie
przestawiamy położenie polaryzatora ekscytacji w pozycję „ON” i przekładamy kołnierz
złącza laserów, tak by uzyskać dostęp wiązki lasera/diody do próbki. Polaryzator
przestawiamy w pozycję „OUT”.
W oknie pomiarowym należy w zakładce Signal Rate dobrać źródło wzbudzenia
(TCSPC diode) oraz detekor (PMT oraz MCP). Następnie wprowadzić długość fali
wzbudzenia (odpowiadającą długości fali generowanej przez laser/diodę), długość fali emisji
(zarejestrowaną uprzednio dla próbki). Następnie zmieniając szczelinę emisji i operując
przesłoną lasera dobrać sygnał. Zamknąć okno zliczeń i przejść do ikonki „τ”, Manual.
Ustawić zakres czasu (np. 50ns), liczbę kanałów (np. 1024), jednostkę (np. liczbę pików),
wartość, przy której pomiar ulegnie zakończeniu (np. 1000). Uruchomić pomiar przyciskiem
„New”. Po wykonaniu krzywej zaniku dla próbki należy wykonać pomiar IRF na próbce
wzorcowej (np. LUDOX). W tym celu przy zasłoniętej przesłonie zmieniamy w oknie
pomiarowym długość fali emisji na długość fali wzbudzenia. Zaznaczamy opcję „add”.
Następnie dobieramy sygnał operując przesłoną lasera i uruchamiamy przyciskiem „New”.
Rys. 1. Okno dialogowe pomiarów czasowo-rozdzielczych w trybie TCSPC.
Otrzymaną krzywą dopasowujemy za pomocą metody analitycznej zawartej
w programie.
A
B
Rys. 2. Sposób dopasowania krzywej zaniku fluorescencji w metodzie z dekonwolucją:
dopasowanie jednowykładnicze (A) i dwuwykładnicze (B).
ĆWICZENIE 2. Wyznaczenie wydajności kwantowej luminescencji przy pomocy sfery
całkującej.
Odczynniki
Aparatura pomiarowa
Odczynniki i próbki stałe z poprzedniego Spektrofluorymetr Edynburg FLS-980
ćwiczenia
Etanol
Sfera całkująca
Wykonanie:
Wydajność kwantową luminescencji wyznaczamy przy pomocy sfery całkującej.
W sferze montujemy uchwyt dla próbek ciekłych lub odpowiednio próbek stałych
i przestawiamy zwierciadło sfery w jedną z dwóch pozycji. Przed zamocowaniem sfery
w komorze pomiarów demontujemy soczewki. Po wprowadzeniu zamkniętej i zabezpieczonej
kuwety z próbką, zamykamy ostrożnie sferę i przystępujemy do pomiaru widma emisji.
Procedura pomiaru widma dla wydajności kwantowej wymaga zastosowania szerokiej
szczeliny ekscytacji przy wąskiej szczelinie emisji. Próbka powinna być rozcieńczona
do absorbancji poniżej 0,2 w długości fali wzbudzenia. Zakres pomiaru dobieramy tak, by
uchwycić również pasmo wzbudzenia (np. przy wzbudzeniu 330nm możemy wprowadzić
zakres od 315nm). Po zarejestrowaniu widma dla próbki sklejamy je z widmem ślepej próby
(np. widmo rozpuszczalnika, dysk z siarczanu baru) zmierzonym w identycznych warunkach,
co próbka. Do obliczenia wydajności kwantowej wykorzystujemy metodę analityczną zawartą
w programie, która pozwala na bezpośrednie porównanie liczby fotonów wzbudzanych
z liczbą fotonów powracających do stanu podstawowego.
Rys. 3. Typowe widmo uzyskiwane przy pomiarach wydajności kwantowej
oraz widok okna dialogowego obliczania wydajności kwantowej.
OPRACOWANIE WYNIKÓW:
Na podstawie ćwiczeń student obowiązany jest:
-podać składowe zaniku luminescencji oraz ich procentowy udział, wyznaczyć efektywny
czas zaniku luminescencji.
-sporządzić krzywe zaniku luminescencji (zależność logarytmu zliczonych sygnałów
od czasu)
-w oparciu o zmierzone parametry dokonać obliczeń i uzupełnić tabelę:
Próbka
λabs [nm] λexc [nm]
λem [nm]
Φem
τeff [ns]
kr [s-1]
knr [s-1]
Eg [eV]
(lg ε)
-wyciągnąć wnioski na podstawie uzyskanych danych.
BIBLIOGRAFIA:
1) A. Kawski, Fotoluminescencja roztworów. 1992. PWN, Warszawa (rozdz.1, 6)
2) J. R. Lakowicz, Principles of fluorescence spectroscopy. III edycja. 2006. Springer
3) C. A. Parker, Photoluminescence of Solutions. 1968. Elsevier Publishing Company