Элементы спектрального анализа
Элементы спектрального анализа
КУРСОВАЯ РАБОТА
Элементы спектрального анализа
Содержание:
Введение.__________________________________________________2
Обзор
литературы___________________________________________4
Глава
I
§
1. Эффект Шпольского. Методы количественного анализа._______11
§2. Факторы, влияющие на точность
спектрального анализа._______19
§3.
Физические процессы, обусловленные
двухквантовыми
реакциями.___________________________________25
§3. Двухквантовые фотопроцессы с участием
триплетных молекул.__31
§4. Зависимости интенсивности фосфоресценции
при одноквантовых и двухквантовых процессах._______________43
Глава II.
§1.
Спектрофлуориметрическая установка для спектральных и кинетических измерений.______________________________________________________46
§2
Методика обезгаживания раствора.__________________________54
§ 3. Зависимость эффективности двухквантовой
реакции от мощности возбуждения.____________________________________________________57
§4. Экспериментальные результаты.____________________________61
Заключение.________________________________________________65
Библиография.______________________________________________70
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, приведена на Рис1.
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 на pис.2.
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 «ориентированного
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 соединения.
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 получили 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 примесной 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].
Страницы: 1, 2, 3, 4, 5
|