pobierz plik

3.
LUMINESCENCJA.
WYZNACZENIE
WYDAJNOŚCI
KWANTOWYCH
FLUORESCENCJI
1. Wprowadzenie
Luminescencją nazywana jest kaŜda emisja promieniowania, która nie jest świeceniem
ciał ogrzanych do wysokich temperatur. Luminescencja zachodzi z elektronowo oscylacyjnie wzbudzonej cząsteczki będącej w równowadze termicznej z otoczeniem. RóŜne
rodzaje luminescencji związane są z róŜnymi sposobami dostarczania energii wzbudzenia.
Fotoluminescencją nazywamy emisję atomów lub cząsteczek, które po zaabsorbowaniu
promieniowania ultrafioletowego, widzialnego lub podczerwonego o odpowiedniej energii
powracają do stanu podstawowego.
Schemat procesów fotofizycznych, związanych z absorpcją i emisją promieniowania w
cząsteczkach wieloatomowych o podstawowym stanie singletowym (S0), przedstawiono na
diagramie, nazywanym od nazwiska jego twórcy, diagramie Jabłońskiego (por. rys. 1).
Rys. 1. Diagram Jabłońskiego dla cząsteczki o singletowym podstawowym
stanie elektronowym. Strzałki proste oznaczają przejścia promieniste,
strzałki faliste – przejścia bezpromieniste
1
Na rys. 1 elektronowe przejścia promieniste zaznaczono strzałkami prostymi, elektronowe
przejścia bezpromieniste falistymi strzałkami poziomymi, procesy zaś relaksacji oscylacyjnej,
tj. utraty nadmiaru energii oscylacyjnej w danym stanie elektronowym, falistymi strzałkami
pionowymi. Literą k z odpowiednimi indeksami oznaczono stałe szybkości promienistych i
bezpromienistych przejść elektronowych i mają one wymiar [s–1].
Fotoluminescencja, która powstaje w wyniku przejścia z najniŜszego poziomu
oscylacyjnego wzbudzonego stanu elektronowego S1 na dowolny oscylacyjno-rotacyjny
poziom stanu podstawowego S0. (por. przejście S1→S0 rys. 1) nazywana jest fluorescencją.
Bezpromieniste przejście elektronu z poziomu S1 do metastabilnego poziomu trypletowego
T1 powoduje pojawienie się emisji związanej z przejściem elektronowym T1 → S0, przesuniętej
ku dłuŜszym falom w stosunku do fluorescencji S1 → S0, zwanej fosforescencją, (por. rys. 2).
Rys 2. Względne połoŜenia widm: A – absorpcji, B – fluorescencji, C – fosforescencji.
Przejścia bezpromieniste pomiędzy stanami elektronowymi o jednakowej krotności
(S2~~>S1, T2~~>T1) nazywamy konwersją wewnętrznej, natomiast przejścia bezpromieniste,
które zachodzą pomiędzy stanami o róŜnej krotności (S1 ~~> T1 i T1 ~~> S0 na rys. 1)
nazywamy przejściami międzysystemowymi. Wymienione przejścia bezpromieniste następują
wówczas, gdy wielowymiarowe hiperpowierzchnie energii potencjalnej odpowiednich stanów
elektronowych dostatecznie zbliŜają do siebie w otoczeniu pewnego punktu albo nawet
przecinają się ze sobą, a konwersja zarówno S1 ~~>S0 (T2 ~~> T1), jak i S1~~>T1 (T1~~>S0)
zachodzą bez zmiany konfiguracji i pędów jąder. Przejście cząsteczki ze stanu S1 na wysoki
poziom oscylacyjny stanu S0 jest równoznaczne z zamianą jej energii wzbudzenia
elektronowego na energię oscylacji w stanie niewzbudzonym. Energia ta zostaje następnie
odprowadzona przez zderzenia z innymi cząsteczkami w szybkim, trwającym 10–11–10–13 s,
procesie relaksacji oscylacyjnej, a więc ostatecznie zamieniona na energię kinetyczną
2
cząsteczek. Proces ten jest bardzo szybki i podobnie jak relaksacja oscylacyjna następuje po
wzbudzeniu cząsteczki do wyŜszych stanów wibronowych.
1.1. Prawa absorpcji. Prawo Bouguera-Lambert i Lamberta-Beera
W myśl prawa sformułowanego przez P. Bouguera J. H. Lamberta, zmniejszenie natęŜenia
monochromatycznej wiązki przechodzącej przez bardzo cienką warstwę jednorodnego
ośrodeka, złoŜonego z pochłaniających promieniowanie cząsteczek, jest proporcjonalne do
natęŜenia wiązki wchodzącej do tej warstwy i do grubości warstwy.
NatęŜeniem wiązki promieniowania (I) nazywamy energię przepływającą w jednostce
czasu przez jednostkowy przekrój wiązki, prostopadły do kierunku jej biegu. Wymiarem
natęŜenia promieniowania jest [W· m–2].
Gdy natęŜenie wiązki padającej prostopadle na warstwę elementarną o grubości dx
wynosi I, to:
− dI = kIdx
(1)
Oznaczając przez I0 natęŜenie wiązki wchodzącej do absorbującej warstwy o skończonej
grubości d, natomiast przez Ip natęŜenie, jakie ma ta wiązka po przejściu przez warstwę,
obliczamy rozdzielając zmienne w równaniu i całkując jego lewą stronę w granicach od I
= I0 do I = Ip, zaś prawą w granicach od x = 0 do x = d:
− ln
Ip
I0
= ln
I0
= kd ,
Ip
I p = I 0e − kd
(2)
Współczynnik k w równaniach (2) nazywamy naturalnym współczynnikiem absorpcji; ma
on wymiar [m–1]. Wartość k dla danej substancji jest zaleŜna od długości fali absorbowanego
promieniowania i od parametrów określających gęstość absorbującej substancji (T, p).
Przechodząc z logarytmów naturalnych na dziesiętne, ze wzoru (2) otrzymujemy:
log
I0
= ad
Ip
(3)
Współczynnik a = k/2,303 nazywamy współczynnikiem absorpcji. Zarówno równanie
róŜniczkowe (1), jak i jego scałkowane postacie (2,3) przedstawiają róŜne sposoby zapisu prawa
Bouguera-Lamberta.
Badając absorpcję substancji rozpuszczonych w ciekłych rozpuszczalnikach, które same
pochłaniają promieniowanie w innym obszarze widma, prawdopodobieństwo, Ŝe foton
penetrujący warstwę roztworu napotka cząsteczkę, przez którą zostanie zaabsorbowany,
zaleŜy od iloczynu grubości warstwy i stęŜenia roztworu. Oznaczając przez c stęŜenie
roztworu, wyraŜone w mol⋅dm–3, zastępujemy k we wzorze (1) iloczynem 2,303εc, w którym
3
współczynnik ε ma wymiar [cm–1·(mol·dm–3)–1] i nazywany jest molowym współczynnikiem
absorpcji.
Otrzymujemy wówczas równanie wyraŜające w postaci róŜniczkowej prawo
Lamberta–Beera, a po scałkowaniu równanie to przybiera postać:
log
I0
= ε cd ≡ A ,
Ip
I p = I 010 −ε cd = I 010 − A
(4)
WyraŜenie log (I0/Ip) nazywamy absorbancją i oznaczamy symbolem A.
Maksymalna
wartość
molowego
współczynnika
absorpcji,
εmaks, jest miarą
intensywności przejścia. PoniewaŜ pasmo absorpcji rozciąga się na pewien zakres liczb
falowych, ν% =
1
λ
[cm−1], podanie wartości molowego współczynnika absorpcji tylko dla jednej
liczby falowej moŜe nie być prawdziwym wskaźnikiem intensywności pasma.
Integralny współczynnik absorpcji jest sumą (całką) współczynników absorpcji w
całym paśmie i odpowiada polu pod krzywą, obrazującą zaleŜność molowego współczynnika
absorpcji od liczby falowej (por. rys. 3).
ν%2
ε int = ∫ ε (ν% ) dν%
(5)
ν%1
Rys. 3. ZaleŜność molowego współczynnika absorpcji od liczby falowej promieniowania
zaabsorbowanego przez substancję.
4
Inną
wielkością
charakteryzującą
absorpcję
promieniowania
w
ośrodku
pochłaniającym jest stosunek Ip/I0 zwany przepuszczalnością (transmitancją), podawany
takŜe w procentach:
T=
Ip
I0
lub T % =
Ip
I0
100
(6)
Pomiędzy absorbancją a przepuszczalnością zachodzi prosty związek:
A = − log T lub A = 2 − log(T %)
(7)
1.2. Moment przejścia. Moc oscylatora
Dane przejście jest obserwowane w widmie absorpcji, jeŜeli spełnione są następujące
warunki na absorpcję promieniowania elektromagnetycznego o natęŜeniu E=E0cos(ωt):
1. Warunek konieczny – warunek rezonansu:
Energia promieniowania padającego hν musi być równa róŜnicy energii pomiędzy badanymi
stanami:
hν = En − Em
(8)
2. Warunek wystarczający - warunek niezerowego momentu przejścia
O szybkości i intensywności absorpcji decyduje moment przejścia (moment dipolowy
przejścia pomiędzy stanami m i n). Tylko jego niezerowa wartość umoŜliwia cząsteczce
„opuszczenie” stanu.
Mmn = ∫ψ m* µψ n dτ ≠ 0
(9)
E0 -amplituda pola elektrycznego promieniowania,
ω - częstość kołowa promieniowania (w s-1)
atomy
elektrony
A
i
µ - operator momentu dipolowego cząsteczki: µ = e ∑ Z A R A − e
∑r
i
ZA - ładunek jądra, wektory RA i ri - połoŜenie jąder i elektronów.
ψm i ψn –pełne funkcje falowe obu stanów cząsteczki, między którymi zachodzi przejście.
Szybkość przejścia wmn (szybkość zmiany prawdopodobieństwa przejścia)
wmn =
2
dPmn
π
= 2 E 0 M mn
dt
6h
2
(10)
5
Kwadrat momentu przejścia jest miarą intensywności absorpcji, opisywaną przez
wielkość nazywaną mocą lub siłą oscylatora przejścia:
f mn =
2 me
h ω mn M mn
3h 2 e 2
2
=
4 m eε 0
h ω mn B mn
e2
(11)
Bmn - współczynnik absorpcji wymuszonej Einsteina
Bmn=
1
2
M mn
2
6ε 0h
(12)
(me i e - masa i ładunek elektronu).
Siła (moc) oscylatora –jest bezwymiarową wielkością i podaje efektywną liczbę elektronów
biorących udział w określonym przejściu. W warunkach doświadczalnych, przy zadanej
częstości promieniowania padającego, w miejsce „ostrego” przejścia między stanami m i n
otrzymujemy rozmyte pasmo odpowiadające integralnemu współczynnikowi absorpcji.
Wówczas doświadczalnie wyznaczoną moc oscylatora określa wyraŜenie:
f12 = 4,33 ⋅ 10−9 ∫ ε (ν% )dν%
(13)
1.3. Czas Ŝycia cząsteczek w stanie wzbudzonym
Przejścia elektronów w cząsteczce z niŜszych poziomów na wyŜsze zachodzi dzięki
absorpcji
promieniowania,
odwrotnym
przejściom
towarzyszy
emisja.
JednakŜe
prawdopodobieństwa tych przejść są róŜne i róŜne w związku z tym natęŜenia linii widmowych.
Emisja samorzutna (spontaniczna) polega na wyemitowaniu fotonu hν przez cząsteczkę
niezaleŜnie od działania nań czynników zewnętrznych.
Pomiędzy wymuszoną absorpcją i spontaniczną emisją istnieje ścisły związek:
Anm =
8π hν
Bmn
c3
(14)
Anm -współczynnik emisji spontanicznej Einsteina,
Bmn - współczynnik absorpcji wymuszone Einsteina.
Jeśli wzbudzone cząsteczki B* ulegają dezaktywacji tylko przez emisję fluorescencji, to
natęŜenie fluorescencji, wynoszące z chwilą przerwania wzbudzania I0, maleje z upływem
czasu wykładniczo, zgodnie z równaniem:
I t = I 0e
−k f t
= I 0 e − t /τ 0
(15)
Symbolem kf oznaczona została stałą szybkości promienistego zaniku fluorescencji (por.
rys. 1) i stała ta jest toŜsama ze współczynnikiem emisji spontanicznej Einsteina Anm. Chwilowe natęŜenie emisji jest proporcjonalne do chwilowej szybkości zaniku wzbudzonych
cząsteczek B*, wyraŜonej pochodną (-d[B*]/dt). W równaniu (15) τ0 = 1/kf oznacza
6
naturalny średni czas Ŝycia cząsteczek B* w stanie wzbudzonym i jest zaleŜny jedynie od
prawdopodobieństwa samorzutnego przejścia promienistego B* → B. Korzystając z
zaleŜności pomiędzy współczynnikiem emisji spontanicznej Einsteina Anm i współczynnikiem
absorpcji wymuszonej Einsteina Bmn (14) i związku pomiędzy Bmn z integralnym
współczynnikiem absorpcji moŜna wnosić, Ŝe wartość τ0 musi być odwrotnie proporcjonalna
do ε int .Uproszczony wzór okreslający tę zaleŜność, po podstawieniu liczbowych wartości
stałych fizycznych, przybiera postać:
3, 44·108
τ0 =
ν%
ν%2
2
m
(16)
∫ ε (ν%)dν%
ν%1
ν~m - liczba falowa odpowiadająca maksimum pasma absorpcji przejścia S1←S0, a
ν~2
~
~
∫ν ε (ν )dν
~
1
jest wyznaczonym eksperymentalnie molowym współczynnikiem absorpcji scałkowany po
całym paśmie absorpcji.
Ze schematu przedstawionego na rys. 1 wynika, Ŝe wzbudzony stan elektronowy
odpowiedzialny za fluorescencję ulega dezaktywacji równieŜ na inne sposoby, co prowadzi
do zaleŜności:
I = Ioe
−
t
τ
(17)
gdzie:
τ − średni mierzony doświadczalnie najkrótszy czas zaniku, po którym wartość I maleje do
Io
wartości
1
i wynosi:
e
τ=
(k
1
f
+ k IC + k ISC )
kIC − stała szybkości konwersji wewnętrznej (S1
(18)
So) i moŜe 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 (por. rys.
1) jest dozwolone wszystkimi regułami wyboru.
7
1.4. Wydajność kwantowa fluorescencji
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. Wartość wydajności kwantowej
(ϕf) jest niemal zawsze mniejsza od jedności i na ogół zmienia się proporcjonalnie do τ
(wyjątek stanowią rozrzedzone gazy),
φf =
kf
τ
=
o
τ
k f + k IC + k ISC
(19)
τ o − naturalny średni czas Ŝycia cząsteczek w stanie wzbudzonym i moŜna go w przybliŜeniu
wyznaczyć korzystając z relacji (16).
2. Pomiary spektrofotometryczne i spektrofluorymetryczne
2.1. Pomiar widma absorpcji
Pomiar widm absorpcji roztworów w obszarze widzialnym i nadfiolecie, czyli
zaleŜności A(λ) [lub T(λ)] względnie A(ν% ) [lub T(ν% )], przeprowadzamy przy uŜyciu
klasycznych spektrofotometrów UV-VIS.
KaŜdy spektrofotometr składa się z czterech zasadniczych elementów:
1.
źródła promieniowania polichromatycznego,
2. monochromatora, rozszczepiającego wiązkę promieniowania polichromatycznego na
szereg wiązek monochromatycznych,
3. detektora czułego na dany zakres promieniowania i zamieniającego sygnał świetlny
na elektryczny,
4. elementu pomiarowego odczytującego i przetwarzającego sygnał wysyłany z detektora
na właściwą wielkość pomiarową (A lub T) oraz zapisującego go w funkcji długości
fali lub liczby falowej. Zwykle zadaniem tego przyrządu jest teŜ sterowanie
eksperymentem, np. powodowanie zmiany długości fali, przy której mierzona jest
absorpcja po kaŜdym kolejnym odczycie.
Schemat blokowy typowego spektrofotometru przedstawiono na rys. 3.
8
Rys. 3. Schemat blokowy spektrofotometru absorpcyjnego. Z – źródło promieniowania
polichromatycznego, M – monochromator, F – fotometr, K0, K, – kuwety z odnośnikiem i
badaną próbką, D – detektor promieniowania, PC – komputer lub inne urządzenie sterujące i
zapisujące wyniki. DR – urządzenie peryferyjne, np. drukarka
PoniewaŜ celem pomiaru jest wyznaczenie absorbancji A lub przepuszczalności T,
naleŜy zmierzyć zarówno I0 jak i I [patrz wzory (4) i (6)]. Realizuje się to przepuszczając
światło opuszczające monochromator na przemian przez kuwetę K z badaną substancją i
przez identyczną kuwetę porównawczą (odnośnik) K0. W przypadku pomiarów absorpcji
roztworów w obszarze widzialnym lub nadfiolecie, kuweta K0 jest wypełniona
rozpuszczalnikim, w którym rozpuszczono substancję badaną w kuwecie K. Kuwety są to
naczynia o płasko–równoległych wypolerowanych ścianach, wykonanych z kwarcu (lub ze
szkła, jeśli pomiar wykonuje się tylko w zakresie widzialnym).
2.2. Pomiar widma fluorescencji
Pomiar widma fluorescencji i widma wzbudzenia fluorescencji roztworów w obszarze
widzialnym i nadfiolecie, czyli zaleŜności intensywność fluorescencji = f(λ) przeprowadzamy
przy uŜyciu klasycznych spektrofluorymetrów.
Spektrofluorymetr wyposaŜony jest w dwa monochromatory zazwyczaj siatkowe, w
lampę ksenonową oraz fotopowielacz pracujący w reŜimie zliczania pojedynczych fotonów.
Schemat blokowy takiego spektrofluorymetru przedstawiono na rysunku 4.
9
Rys. 4. (a) Schemat blokowy
spektrofluorymetru. L – źródło światła, Mn(wzb) –
monochromator wybierający światło wzbudzające, S – próbka, Mn(em) –
monochromator do analizy widma emisji, PM – fotopowielacz, A – wzmacniacz, XY –rejestrator.
(b) Obserwacja pod kątem prostym (po lewej) i obserwacja czołowa (po prawej).
E–
wiązka wzbudzająca, L – luminescencja, R – rozproszenie.
2. Pomiary wydajności kwantowych
Pomiary bezwzględnej wydajności kwantowej luminescencji są pomiarami trudnymi,
dlatego teŜ wykonywane są najczęściej względem wzorców luminescencyjnych. W
pomiarach aktynometrycznych dla określenia bezwzględnej wydajności luminescencji
mierzymy natęŜenie promieniowania wzbudzającego i natęŜenie emisji próbki aktynometrem
chemicznym, a stosunek natęŜeń emisji do wzbudzenia stanowi bezwzględną wydajność
kwantową. Całkowite natęŜenie wiązki wyemitowanej przez próbkę jest mierzone roztworem
aktynometru chemicznego. Metoda ta została szczegółowo opisana w [1,2].
2.1. Wyznaczenie wydajności kwantowej z pomiaru czasu zaniku fluorescencji
Bezwzględną wydajność kwantową moŜna wyznaczyć korzystając z relacji (19), jako
stosunek zmierzonego czasu Ŝycia fluorescencji τ do wyznaczonego z integralnego
współczynnika absorpcji, naturalnego średniego czasu Ŝycia cząsteczek w stanie
wzbudzonym τ o.
φf =
τ
τo
(20)
10
Wartości wydajności kwantowych uzyskane tą metodą obarczone są znacznym
błędem. Błąd wynika z niedokładności oznaczania wartości τ o, tj. pola powierzchni pod
krzywą pasma absorpcji odpowiadającej pierwszemu przejściu elektronowemu S0→S1.
Zazwyczaj kaŜde pasmo w widmie absorpcji jest obwiednią kilku nakładających się na siebie
pasm, dlatego teŜ dokładniejsze informacje o składowych poszczególnych pasm moŜna
uzyskać przez ich rozkład.
RównieŜ wyznaczony doświadczalnie czas Ŝycia fluorescencji próbki obarczony jest
ok. dziesięcioprocentowym błędem.
2.1.1. Pomiary czasów zaniku fluorescencji
Wyznaczenie czasu Ŝycia fluorescencji polega na zarejestrowaniu czasu zaniku emisji
badanego luminoforu po jego krótkotrwałym wzbudzeniu.
Do
pomiarów
czasów
Ŝycia
fluorescencji stosujemy między innymi lampy błyskowe, dające dostatecznie krótkie
(nanosekundowe) i stromo opadające impulsy świetlne.
Emisję próbkujemy po kaŜdym błysku wzbudzającym za pomocą szybkiego
fotopowielacza. Po uwzględnieniu czasowego zaniku impulsu wzbudzającego, moŜna
otrzymać czasowy zanik emisji substancji badanej. Rozwinięciem tej metody jest metoda
zliczania pojedynczych fotonów. W metodzie tej część światła wzbudzającego (lasera
impulsowego lub impulsowej lampy np. deuterowej) kierowana jest do fotodiody (lub
fotopowielacza) PD, która ustala zero w skali czasu. Impuls ten wyzwala liniowo narastające
napięcie uzyskane z przetwornika czasu na napięcie (lub na amplitudę). W chwili zauwaŜenia
przez fotopowielacz PM pierwszego wyemitowanego fotonu, wzrost napięcia jest zatrzymany,
a impuls z przetwornika zostaje zarejestrowany w odpowiednim kanale analizatora
wielokanałowego. W analizatorze wielokanałowym kaŜdy kanał jest określony czasem, jaki
upłynął od chwili rozbłysku impulsu wzbudzającego, a dla kaŜdego impulsu wzbudzającego
zliczany jest tylko pierwszy foton. Eksperyment jest powtarzany wielokrotnie i w ten sposób
zostaje zarejestrowana cała krzywa zaniku emisji. Uproszczony schemat układu do zliczania
pojedynczych fotonów przedstawiony jest na rys. 5.
11
(a)
L
(b)
V
S
PD
F
PM
czas
0
1
R
1
V
0
AW
Rys.5. (a) Schemat układu do zliczania pojedynczych fotonów: L - impulsowe źródło światła,
PD - fotodioda, S- próbka, F- filtr interferencyjny lub monochromator, PM- fotopowielacz, Rgenerator liniowo narastającego napięcia (1-start, 0-stop), AW- analizator wielokanałowy.
(b) liniowa zmiana napięcia w czasie.
Analizator AW zlicza impuls wyjściowy w kanałach odpowiadających poszczególnym
wartościom napięcia impulsów wyjściowych. Wynikiem pomiaru jest krzywa rozkładu liczby
fotonów, proporcjonalna do czasu zaniku natęŜenia fluorescencji (por. rys. 6).
Rys.6. Czas trwania emisji fluorescencji (czerwony) po wzbudzeniu krótkim impulsem lasera
(niebieski).
12
2.2 Wyznaczenie względnej wydajności kwantowej metodą porównawczą
W metodzie porównawczej względną wydajność kwantową oblicza się z zaleŜności:
F2 ϕ 2 ε 2c2l2 I o n22 ϕ 2 A2 n22
=
⋅
⋅ = ⋅ ⋅
F1 ϕ1 ε1c1l1 I o n12 ϕ1 A1 n12
(21)
gdzie: F2 i F1 oznaczają powierzchnię pod krzywymi rozkładu natęŜeń fluorescencji w
widmach emisji próbki i wzorca, ϕ1 i ϕ2 są odpowiednio bezwzględne wydajności kwantowe
wzorca o znanej wydajności kwantowej i próbki, ε2 i ε1 - molowe współczynniki absorpcji
próbki i wzorca przy długości fali światła wzbudzającego (takiej samej dla wzorca i próbki),
c2 i c1 - stęŜenie badanej próbki i wzorca, l2 i l1 - długości drogi optycznej w warstwach
roztworów próbki i wzorca, I0- intensywność początkowa, n2 i n1 - współczynniki załamania
światła rozpuszczalnika próbki i wzorca, A2 i A1 - absorbancja próbki i wzorca przy długości
fali światła wzbudzającego fluorescencję (istotne jest, aby absorbancja próbki i wzorca nie
przekraczała wartości 0,1 tj. w zakresie, w którym występuje liniowa zaleŜność natęŜenia
fluorescencji od stęŜenia).
Zastosowany wzorzec powinien posiadać pasmo absorpcji oraz fluorescencji w tym
samym zakresie spektralnym jak i badana próbka. Ponadto, aby pomiar wydajności
kwantowej fluorescencji był najdokładniejszy, wzbudzenie próbki i wzorca powinno odbywać
się w identycznych warunkach. Współczynniki załamania światła w równaniu (21) pozwalają
uwzględnić róŜnicę w stosowanych rozpuszczalnikach.
Aby wydajność kwantowa była poprawnie wyznaczona, wymagany jest prawidłowy
dobór wzorca. Najczęściej stosowane wzorce fluorescencyjne oraz ich wydajność kwantowa
fluorescencji zostały przedstawione w tabeli 1.
Tabela1. Wzorce fluorescencyjne oraz ich wydajność kwantowa fluorescencji
λex [nm]
φf
350
0.577
366
0.53 ± 0.023
Woda
275
0.14 ± 0.01
Rodamina 6G
Etanol
488
0.94
Rodamina 101
Etanol
450-465
1.0
Chlorofil a
Metanol
644
0.21 ± 0.02
Chlorofil a
Eter etylowy
_
0.20 ± 0.02
Chlorofil b
Metanol
_
0.048 ± 0.007
Chlorofil b
Eter etylowy
_
0.074 ± 0.007
Ftalocyjanina Zn
Toluen
610
0.30±0,02
Związek
Rozpuszczalnik
Sulfonowana chinina
0.1 M H2S04
Fenol
13
3. Wykonanie ćwiczenia i opracowanie wyników
Celem ćwiczenia jest wyznaczenie wydajności kwantowej fluorescencji wodnego
roztworu ftalocyjaniny, wykorzystując zmierzony czasu Ŝycia fluorescencji (τ) oraz obliczony
naturalny czasu Ŝycia fluorescencji (τ0).
3.1 Opracowanie widm absorpcji roztworu badanego związku
Wykonanie ćwiczenia polega na pomiarze widm absorpcji badanych związków przy
uŜyciu spektrofotometru UV – VIS, którego schemat blokowy przedstawiono na rysunku 7.
Spektrofotometr wyposaŜony jest w dwa źródła światła: lampę deuterową (w zakresie
promieniowania UV) i lampę halogenową (w zakresie widzialnym). W układzie
monochromatora znajdują się szczeliny do regulacji szerokości wiązki światła, siatka
dyfrakcyjna i modulator.
ŹRÓDŁO
ŚWATŁA
MONOCHROMATOR
PRÓBKA
FOTOPOWIELACZ
ODNOŚNIK
MIERNIK
KOMPUTER
Rys.7. Schemat blokowy
Spectrophotometr Shimadzu).
spektrofotometru
(UV-2101PC)
UV-VIS
(Scanning
Widmo absorpcji zapisane jest w postaci pliku danych z rozszerzeniem .ASC, w
którym w pierwszej kolumnie jest długość fali [nm], w drugiej - absorbancja przy danej
długości fal. Przykładowe widmo przedstawiono na rys. 8.
Rys. 8. Widmo absorpcji wodnego roztworu ftalocyjaniny (c= 1,25⋅10−6 mol⋅dm−3)
14
Z widma zarejestrowanego w całym mierzonym zakresie spektralnym naleŜy wybrać pasmo
odpowiadające pierwszemu przejściu absorpcyjnemu S1 ← S0. W przypadku roztworów
ftalocyjaniny naleŜy wybrać fragment 500-750 nm (por. rys. 9).
Rys. 9. Fragment widma absorpcji wodnego roztworu ftalocyjaniny (c= 1,25⋅10−6 mol⋅dm−3)
Znając stęŜenie roztworu i stosując prawa Lamberta – Beera zmieniamy skalę absorbancji na
skalę molowego współczynnika absorpcji. W tym celu naleŜy podzielić absorbancję przez
stęŜenie substancji w roztworze i grubość warstwy (1 cm).
RównieŜ skalę długość fali naleŜy zamienić na skalę liczb falowych wyraŜoną w cm−1. Na
rys.10 przedstawiono fragment widma absorpcji po dokowaniu tych zamian.
Molowy współczynnik absorpcji
D
1,6x10
6
1,4x10
6
1,2x10
6
1,0x10
6
8,0x10
5
6,0x10
5
4,0x10
5
2,0x10
5
0,0
14000
16000
18000
20000
Liczba falowa
Rys. 10. Fragment widma absorpcji wodnego roztworu ftalocyjaniny (c= 1,25⋅10−6 mol⋅dm−3)
15
Kolejnym krokiem jest rozkładanie widma w tym zakresie na kilka pasma (np. programem
ORIGIN), których obwiednią jest funkcja Gaussa (Gaussiany). Liczba pasm powinna być
dobrana tak, aby powierzchnia pod kaŜdym pasmem była dodatnia, dopasowanie sumaryczne
do kształtu pasma zmierzonego było najbliŜsze jedności i aby najintensywniejsze, pierwsze
pasmo, było odtworzone najwierniej jedną funkcją Gaussa (por. rys.10).
Z tak rozłoŜonego widma naleŜy odczytać integralny współczynnik absorpcji pierwszego,
najintensywniejszego pasma oraz liczbę falową określającą maksimum tego pasma, a
następnie korzystając z zaleŜności (13) i (16) obliczyć siłę oscylatora przejścia (f) i naturalny
czas Ŝycia fluorescencji (τ0).
3.2.Opracowanie wyników pomiaru czasu zaniku fluorescencji
Dane z pomiaru czasu zaniku fluorescencji otrzymujemy w postaci pliku z
rozszerzeniem .TXT, gdzie w pierwszej kolumnie jest numer kanału, w drugiej – liczba
pojedynczych zliczonych fotonów w odpowiednim kanale. Krzywa rozkładu liczby fotonów
w kolejnych kanałach w funkcji numeru kanału odpowiada czasowemu zanikowi
fluorescencji (por. rys 11a). Jest to zaleŜność ekspotencjalna, natomiast w skali
logarytmicznej – otrzymujemy liniową zaleŜność ln (liczby impulsów) = f (nr kanału).
ZaleŜność ta przedstawiona jest na rys.11b.
6
300
Liczba impulsów
ln (liczby impulsów)
200
100
4
2
0
0
2000
4000
6000
8000
Numer kanału
0
0
2000
4000
6000
8000
numer kanału
Rys. 11a. Liczba impulsów (fotonów) emisji
Rys. 11b. Logarytm naturalny z liczby impulsów
zliczona w kaŜdym kanale analizatora
emisji w funkcji numeru kanału .
16
Przed kaŜdym pomiarem dobierana jest skala podstawy czasu, tj. czas, w którym rejestrujemy
liczbę impulsów pojawiających się od chwili t = 0 do t = podstawie czasu. Skala podstawy
czasu wybierana jest w zaleŜności od spodziewanego czasu zaniku fluorescencji.
W Tabeli 1 zestawiono wartości podstawy czas i czas przypadający na kaŜdy kanał.
Tabela 1. Wartości podstawy czasu i ilość nanosekund przypadająca na jeden kanał.
podstawa czasu [ns]
ns/ kanał [ns]
100
200
500
0,01455
0,02919
0,06322
Iloczyn liczby kanałów uŜytych w pomiarze i czasu, jaki jest potrzebny na zarejestrowanie
impulsów w kaŜdym kanale, zamienia skalę liczby kanałów na czas [w ns] (por. rys 12a).
(a)
(b)
6
ln (liczba zliczeń)
6.00
kuweta kwadratowa
ln (liczby impulsów)
kuweta trojkatna
4
4.00
2
2.00
0.00
0
0
40
80
120
0
20
40
60
80
100
czas [ns]
Rys. 12. (a) Wykres zaleŜności ln (liczba zliczeń)=f (czas). (b) Wykres zaleŜności ln (ilości
zliczeń)=f (czasu) dla próbki sulfonowanej ftalocyjaniny glinu w wodzie o stęŜeniu
c=6⋅10-5M. Pomiar zarejestrowany w kuwecie kwadratowej (τ=7,7ns) i w kuwecie trójkątnej
(τ=6,66ns). Linie zaznaczone kolorem zielonym i niebieskim odnoszą się do wzorca
fluorescencyjnego.
ZaleŜność ln I od czasu jest zaleŜnością liniową, jeśli zanik emisji jest monoeksponencjalny,
a współczynnik kierunkowy prostej: ln(I)=f (t); ln I = −
t
τ
+ ln I o jest równy −1/τ.
17
Z zaleŜności tej obliczmy czas zaniku fluorescencji.
3.3 Sprawozdanie z ćwiczenia.
Student otrzymuje dwa komplety danych. Jeden plik z rozszerzeniem .ASC zawiera
dane pomiaru widma absorpcji, który naleŜy opracować tak, jak to zostało przedstawione w
punkcie 3.1. W sprawozdaniu naleŜy umieścić wszystkie widma oraz obliczoną siłę
oscylatora pierwszego przejścia absorpcyjnego i obliczony naturalny czas Ŝycia fluorescencji.
Drugi plik, z rozszerzeniem .TXT zawiera dane mierzonego czasu zaniku fluorescencji, który
naleŜy opracować tak, jak to zostało przedstawione w punkcie 3.2. W sprawozdaniu naleŜy
przedstawić wszystkie krzywe zaniku oraz obliczony czas zaniku fluorescencji.
Iloraz τ/τ0 jest wielkością wydajności kwantowej fluorescencji, którą równieŜ naleŜy
obliczyć.
Literatura:
[1] K. Pigoń, Z. Ruziewicz, „Chemia fizyczna”, PWN, Warszawa, (1986), (rozdz. 11.2.3, 11.3.4,
11.3.5).
[2] A. Kawski, „Fotoluminescencja roztworów”, PWN, Warszawa, (1992), (rozdz.1, 6).
Opracowała dr hab. Krystyna Palewska
18