Люминесцентный анализ в медицине реферат

Обновлено: 05.07.2024

Зародившись в XVI веке оптические приборы произвели настоящую революцию, как в научной, так и в прикладной сферах биологических наук. Эти инструменты впервые позволили человеку заглянуть в мир микроскопических существ и отдельных клеток, дали возможность изучать биологические объекты чрезвычайно малых размеров и их отдельные элементы. С тех пор методы микроскопии прошли длинную эволюцию, постоянно совершенствуясь и достигая всё большей разрешающей способности. Благодаря этому, методы микроскопии нисколько не потеряли своей актуальности и по сей день, находя самое широкое применение в биологических и медицинских науках, лабораторных и клинических исследованиях, позволяя изучать морфологию и физиологию клеток – строительных блоков всех живых существ. Так же они применяются в исследованиях наноматериалов, при выполнении работ, требующих особой тонкости, таких как микрохирургия. С годами были разработаны различные конструкции микроскопа (прямые, инвертированные, стереоскопические микроскопы), а также большое количество модификаций метода микроскопии, таких как светлопольная, фазово-контрастная, темнопольная, люминесцентная, лазерная конфокальная и мультифотонная микроскопия. Микроскопия является неотъемлемой частью многих исследовательских работ, при этом регулярно появляются новые методы и перспективы для их применения.

2. Spasov A.A., Bugaeva L.I., Bukatin M.V., Kuzubova E.A., Rebrova D.N. The influence of a new antioxidatic preparation on the reproductive function of male-rats // European Journal of Natural History. – 2007. – № 1. – С. 115–116.

3. Stevens A., Yang H., Kovarik L., Yuan X. Compressive Sensing in Microscopy: a Tutorial // Microscopy and Microanalysis, 2016. Т. 22. № . S3. Р. 2084–2085. DOI: 10.1017/S1431927616011260.

4. Снегирева Л.В. Оптические методы исследования в биологии и медицине // Международный журнал экспериментального образования. – 2017. – № 2. – С. 51–52.

5. Феофанов А.В. Cпектральная лазерная сканирующая конфокальная микроскопия в биологических исследованиях // Успехи биологической химии. – 2007. – № 47. – С. 371–410.

Микроскопия – это изучение объектов и элементов чрезвычайно малых размеров. Человеческий глаз имеет предел разрешения и детализации таких объектов, диктуемый его природными свойствами. Для преодоления этого биологического ограничения используются различные приборы-микроскопы. На сегодняшний день, одним из ведущих методов исследования микрообъектов в биологических науках является оптическая (она же световая) микроскопия. Световые микроскопы являются важнейшими инструментами как при проведение некоторых рутинных медицинских анализов, так и в биологических и медико-биологических научных исследованиях. Они незаменимы при изучении морфологических свойств микробиологических объектов, к которым относятся насекомые и их части, многие паразиты, клетки растений и животных, простейшие и бактерии. Возможность изучения топографии, морфологии, ультраструктуры позволило человеку значительно расширить свои знания о микроорганизмах. В медицине, микроскопы позволяют проводить подсчёт клеток крови, анализ биопсий на структуру, морфологию и наличие определённых включений. С применением молекулярно-биологических техник, появилась возможность выявить локализацию отдельных химических веществ.

Сущность оптических методов

Современная световая микроскопия обеспечивает увеличение до 2–3 тысяч раз, что является достаточным для изучения различных форм жизни на клеточном уровне и других биологических объектов [1, 2]. Основными характеристиками любого микроскопа являются разрешающая способность и контраст. Разрешающая способность – минимальное расстояние, на котором находятся две точки, различаемые как раздельные объекты. Контраст –возможность различать объекты и отдельные детали от их фона. Если различие в яркости объекта и фона составляет менее 3 – 4 %, то его невозможно различить, даже если оптика микроскопа теоретически способна разрешить его детали. На контраст влияют как свойства объекта, которые изменяют световой поток по сравнению с фоном, так и способности оптики прибора уловить возникающие различия в свойствах луча. Главным ограничением для возможностей светового микроскопа является волновая природа света, которое не позволяет увидеть объекты, размеры которых сопоставимы с волновой длиной электромагнитного излучения светового диапазона, т.е. меньше 1 микрометра.

Для различных нужд создаются оптические системы различной конструкции [3, 4]:

Прямой микроскоп является наиболее часто встречаемой конструкцией. Такая схема используется чаще всего при изучение прозрачных и полупрозрачных микрообъектов размеров, сопоставимых с клетками. Лабораторные микроскопы особенно широко применяются в различных областях биологии (ботанике, микробиологии, цитологии) и медицины (обычно это микробиологический и гистологический анализ материала).

Инвертированная схема микроскопа отличается от прямой тем, что в ней объективы находятся не над, а под исследуемым предметом. Это позволяет оптимизировать конструкцию инструмента для работы с достаточно большими по своему объему объектами, вроде флаконов для культивирования клеток. В зависимости от назначения и особенностей конструкции, инвертированные микроскопы могут быть биологическими, люминесцентными, металлографическими и др. Подобные приборы широко используются при различных научных и лабораторных исследованиях в микробиологии и медицине.

Стереоскопические или стереомикроскопы имеют в своей конструкции два расположенных под углом объектива, и благодаря этому позволяют получать стереоскопическое изображение исследуемого объекта. Стереомикроскопы обладают существенно большей глубиной резкости, чем обычные, что позволяет использовать их для изучения относительно крупных и выпуклых микрообъектов – таких как части растений, грибов, колонии микроорганизмов. Выделяют два типа конструкции световых микроскопов: схема Грену и оптическая система с общим главным объективом.

Светлопольная микроскопия позволяет исследовать объекты в проходящем свете в светлом поле [2,5]. Данный вид микроскопии предназначен для исследования морфологии, размеров клеток, их взаимного расположения, структурной организации клеток и других особенностей. У светового микроскопа максимальная разрешающая способность составляет 0,2 мкм, что обеспечивает высокоточное увеличение микроскопа до 1500х.

Фазово-контрастная микроскопия (рис. 1) используется для получения высококонтрастных изображений прозрачных образцов, таких как живые клетки, микроорганизмы, тонкие кусочки ткани, литографические узоры, волокна, латексные дисперсии, осколки стекла и субклеточные частицы, включая ядра и другие органеллы. Метод контраста участка использует оптический механизм для того, чтобы перевести мельчайшие изменения в участке в соответствующие изменения в амплитуде, которые можно визуализировать как разницы в контрасте изображения. Одно из главных преимуществ микроскопии контраста участка в том, что живущие клетки можно рассмотреть в их естественном положении, без предварительного убийства. В результате динамика протекающих биологических процессов может наблюдаться и регистрироваться в высоком контрасте, с высокой четкостью мельчайших деталей образца.

Лазерная конфокальная микроскопия

Мультифотонная микроскопия схожа с конфокальной и обеспечивает четкие преимущества для трехмерной визуализации [6]. Она хорошо подходит для визуализации живых клеток, особенно в интактных тканях, таких как срезы мозга, эмбрионы, а так же целые органы или небольшие организмы. Эффективная чувствительность флуоресцентной микроскопии, особенно при работе с толстыми образцами, как правило, ограничена вспышкой без фокуса. Это ограничение значительно сокращается в конфокальном микроскопе, с помощью конфокального отверстия для отклонения фоновой флуоресценции фокуса и получения несжатых оптических секций менее 1 микрометра. Мультифотонная микроскопия имеет преимущества: 1. Вследствие значительно меньшего поглощения тканей и клеток в ИК – области по сравнению с УФ, уменьшается повреждение живых клеток фотоиндуцированными процессами. 2. Достигается большая глубина проникновения излучения в биологические объекты. 3. Отсутствует возбуждение и выцветание флуорохромов вне фокального микрообъема, поэтому конфокальная диафрагма не требуется.

Эпоха, когда оптическая микроскопия была чисто описательным инструментом прошла. В настоящее время формирование оптического изображения является лишь первым шагом к анализу данных. Микроскоп выполняет этот первый шаг в сочетании с электронными детекторами, процессорами изображений и устройствами отображения, которые можно рассматривать как расширения системы формирования изображения. Компьютеризированное управление фокусом, сценическим положением, оптическими компонентами, ставнями, фильтрами и детекторами широко распространено и позволяет проводить экспериментальные манипуляции, которые невозможны для человека при использовании механических микроскопов. Возрастающее применение электрооптики в флуоресцентной микроскопии привело к созданию оптических пинцетов, способных манипулировать субклеточными структурами или частицами, изображениями отдельных молекул и широким спектром сложных спектроскопических приложений.

Для учеников 1-11 классов и дошкольников
Бесплатные сертификаты учителям и участникам

Муниципальное бюджетное общеобразовательное учреждение

Средняя общеобразовательная школа №43

Научно-исследовательская работа

Выполнила: Прусакова С.А.

Научный руководитель: Филимонова Л.Ю.

Должность: учитель физики

Всероссийский конкурс научно-исследовательских работ с международным участием

Обоснование выбора темы:

Современный мир трудно представить без люминесцентных ламп, осциллографов, нанотрубок для диагностики раковых опухолей, а также других полезных приборов, облегчающих нашу жизнь. Однако многие люди не подозревают, что за созданием подобных установок стоят именно механизмы люминесценции. Я намерена донести, что представляет собой люминесценция, а также систематизировать знания о том, в каких сферах мы можем столкнуться с ней.

Целью исследования является характеристика люминесценции и определение области её применения

1. Дать собственное определение люминесценции на основе изученной теории и охарактеризовать основные свойства, характерные для люминесценции

2. Определить отличия люминесценции от других видов рассеяния

3. Классифицировать явления люминесценции и выяснить, чем разные виды отличаются друг от друга

4. Выявить основные закономерности люминесценции

5. Проанализировать, в каких областях встречается люминесценция, а затем описать механизм ее применения

Актуальность:

Изучение люминесценции не теряет актуальности в связи с тем, что люминесценция широко применима в медицине, технике, криминалистике, физико-химическом анализе и т.д. Более того, люминесцирующие вещества представляют большой интерес в связи с возможностью создания еще более продвинутых солнечных батарей, многоцветных дисплеев, а также могут быть отличным материалом при изучении свойств биологических тканей.

Объект исследования: явление люминесценции

Предмет исследования: вещества, излучающие свет без нагревания

С самых античных времен человечеству были известны такие природные явления, как северное сияние, гниение, свечение некоторых живых организмов (каракатиц, огненосных щелкунов, морских моллюсков) и т.д, однако люди долго не могли понять природу этих свечений и получить свет без тепла. Систематически изучать процесс люминесценции начали только в конце XIX века. Было установлено, что голубое свечение флюорита происходит не благодаря рассеянию света, а является вторичным излучением, который назвали впоследствии флюоресценцией. Огромный вклад в создание теории люминесценции внес российский академик С.И. Вавилов со своими учениками, предложив создать новые источники света — люминесцентные лампы. Именно на основе определения люминесценции Вавилова можно сформулировать собственное:

Люминесцирующее вещество может находиться в различном агрегатном состоянии: газообразном, жидком и твердом (аморфном или кристаллическом). Во всех случаях излучение, вызываемое определенными энергетическими воздействиями, связано с присутствием так называемых центров люминесценции (например, в твердом кристаллическом веществе ими являются специфические микродефекты непрерывной матричной решетки).

Основная часть

1.Классификация явлений люминесценции:

Резонансная – спонтанное высвечивание с того же энергетического уровня, на котором оказался излучающий атом при поглощении энергии от источника люминесценции. [5]

Рисунок 1 – Резонансная люминесценция

Спонтанная – излучение происходит непосредственно вслед за возбуждением. Переход с возбужденного уровня на основной момент может быть единым или ступенчатым.

Рисунок 2 – Спонтанная люминесценция

Метастабильная (вынужденная) – под действием источника люминесценции происходит переход на метастабильный уровень, а затем

следует переход на уровень люминесцентного излучения. [5]

Рисунок 3 – Метастабильная люминесценция

Рекомбинационная – происходит в результате воссоединения частиц, разделившихся при поглощении возбуждающей энергии. [5]

Флуоресценция – быстро затухающая люминесценция, обусловленная переходами атомов из возбужденного состояния в нормальное.

Фосфоресценция – длительная люминесценция, обусловленная наличием метастабильных возбужденных состояний атомов, переход из которых в нормальное состояние затруднен из-за каких-либо причин.

Если длительность свечения (τ) имеет порядок 10 в минус восьмой степени с, то такое свечение будет называться флуоресценцией, а если τ ≥ 1c – фосфоресценцией. Но при τ = 10 -7 – 10 -1 нужно исследовать зависимость от температуры. Для фосфоресценции характерна сильная зависимость τ от

температуры, которая определяется больцмановским множителем τ = τ0exp(–E/kT),

где Е – энергия, необходимая для освобождения электрона с метастабильного уровня или из электронной ловушки. [6]

Фотолюминесценция – возбуждение, возникающее под действием световых лучей оптического диапазона частот — ультрафиолетовых и видимых. Применяется для получения люминесценции жидких растворов и стекол.

Термолюминесценция – возбуждение, возникающее при нагревании. Применяется в геологии для определения возраста пород.

Радиолюминесценция – возбуждение под действием быстрых частиц — продуктов радиоактивного распада, ядерных частиц и осколков деления, а также космической радиации. Применяется при исследовании радиоактивного распада, ионизирующей радиации.

Электролюминесценция – возбуждение под действием приложенного к люминесцентному веществу электрического поля. Применяется для архитектурных и декоративных целей (создание ночников, светящихся потолков и т.д.)

Триболюминесценция – возбуждение трением и электростатическими силами.

Хемилюминесценция – возбуждение в результате химических превращений (например, окисления). Используется в аналитической химии.

Рентгенолюминесценция – возбуждение под действием рентгеновских лучей. Применяется для исследования внутреннего строения непрозрачных объектов, например органов человека.

Сонолюминесценция – возбуждение ультразвуком.

Катодолюминесценция – возбуждение катодными лучами (быстрыми электронами). Применяется для создания экранов различных приборов.

Кристаллолюминесценция – возбуждение при деформации кристаллов в результате их сжатия или растирания.

Биолюминесценция – возбуждение, связанное с процессами жизнедеятельности организмов. Применяется для привлечения жертвы или служит защитой у живых организмов.

2. Основные характеристики люминесценции:

1. Спектр люминесценции – распределение интенсивности излучения в шкале длин волн или частот.

2. Спектр возбуждения – зависимость интенсивности люминесценции от длины волны возбуждающего света

3. Спектр поглощения – зависимость коэффициента поглощения от длины волны

5. Энергетический выход люминесценции – отношение суммарной энергии света, испущенного в процессе люминесценции, к поглощенной энергии возбуждения

3.Основные закономерности люминесценции:

Спектр люминесценции лежит в более длинноволновой области по сравнению со спектром поглощения.

Рисунок 4 – Правило Стокса-Ломмеля

Спектр люминесценции не зависит от длины волны возбуждения.

Рисунок 5 – Правило Каши

По мере увеличения волны возбуждения энергетический выход флуоресценции возрастает, сохраняет постоянную величину, а затем уменьшается

Рисунок 6 – Закон Вавилова

Спектр испускания флуоресценции представляет собой зеркальное отражение спектра поглощения, поскольку структура колебательных подуровней одинакова в основном и возбужденном состоянии.

Рисунок 7 – Правило Левшина

4. Применение люминесценции:

Для начала, люминесценция применяется при создании светотехнических приборов, например источников искусственного света или сигнальных устройств. Именно люминесцентные лампы с двухступенчатым преобразованием электрической энергии пользуются большим спросом на предприятиях и в государственных учреждениях. Механизм работы такой лампы следующий: в разрядной трубке лампы, содержащей пары ртути, электронный поток вызывает возбуждение и свечение в ультрафиолетовой области спектра. Это свечение поглощается порошком кристаллофосфора, покрывающим внутренние стенки трубки, и возбуждает его видимое свечение, используемое для освещения.

Люминесцентные вещества служат отличными индикаторами при решении вопросов гидротехники и гидромеханики: в поток жидкостей или газов вводятся люминесцирующие вещества, и это позволяет изучать характер и скорость течений, что является очень важным при проектировании плотин, мостов и гидротехнических сооружений.

В медицине и биологии люминесценция применяется для обнаружения и распознавания бактерий и болезнетворных микробов, а также при изучении строения клеток растений и животных (и их изменений) в ходе развития болезни. Нередко люминесценция применяется для контроля качества продуктов, а также обнаружения различных болезней у живых существ (например, язва роговицы, грибок кожи и волос, злокачественная опухоль).

В судебной медицине и криминалистике люминесценция используется для обнаружения подделок документов, пятен на материале и надписей, сделанных бесцветными веществами, что позволяет следствию продвигаться гораздо быстрее. Более того, благодаря люминесценции можно провести анализ крови.

При химическом анализе люминесценция часто используется для определения макроколичеств вещества или примесей в высокочистых материалах. В минералогии же люминесценция также нашла широкое применение: она помогает обнаружить залегание вольфрамовых и урановых руд, определить состав нефти, обнаружить алмазы при обогатительных работах.

Более того, люминесцентная дефектоскопия применяется для обнаружения и определения размеров и глубины дефектов металлических и стеклянных изделий: они покрываются люминесцирующей пастой, проникающей в трещины или другие дефекты. Избыток пасты удаляют, а изделие облучают ультрафиолетовыми лучами. Оставшаяся в трещинах паста ярко люминесцирует и позволяет определить недостатки.

Люминесценция применяется и в технике: в телевизорах, локационных установках и других приборах используются люминесцирующие экраны, являющиеся незаменимой частью любой электронно-лучевой трубки.

Благодаря люминесценции также появились люминесцирующие стекла, изготовленные на основе стеклянных матриц различного состава. При варке стекла в шихту добавляются активаторы, свойствами которых определяются выход люминесценции, спектр и длительность свечения люминесцентных стекол. Они обладают хорошей прозрачностью, многие и них могут быть использованы в качестве лазерных материалов, а также для визуализации изображений, полученных в УФ излучении. [11]

Использовав предоставленную литературу, я провела анализ и охарактеризовала основные свойства люминесценции, дала ее определение, классифицировала явления и механизмы люминесценции, а также определила ее основные закономерности. Область применения также была мною изучена и описана. Это означает, что цель работы достигнута, все поставленные задачи выполнены.

Список литературы:

1. ЛЮМИНЕСЦЕНЦИЯ: метод. указания к лаб. работам / В. А. Горюнов, В. Я.

Гришаев, Е. В. Никишин. — Саранск : Изд-во Мордов. ун-та, 2012. – 48 с.

3. Люминесценция минералов гранитных пегматитов / Кузнецов Г.В., Таращан

А.Н.; Отв. ред. В.И. Лавлишин; АН УССР. Ин-т геохимии и физики минералов. — Киев : Наук, думка, 1988. - 180 с

11. ред. Прохоров, А.М.: Физический энциклопедический словарь 1983-1984 г.; М.: Советская Энциклопедия

Определение содержания вещества в пробе люминесцентным методом основано на сравнении интенсивности люминесценции пробы и стандартных образцов. Последние должны отвечать ряду требований:
1. содержание определяемого вещества в стандартном образце должно быть точно известно;
2. химический состав матрицы (основы) стандартного образца должен быть идентичен (или подобен в практически достижимой мере) матрице пробы;
3. стандартный образец и проба должны обладать близкими физическими свойствами.

Содержание

Вложенные файлы: 1 файл

физикохим4.doc

1. Люминесцентные методы анализа………………………………………5

3. Аппаратура для люминесцентных измерений…… ……………………13

4. Практическое применение………………………………………………15

Люминесценция – это излучение ,представляющая собой избыток над тепловым излучением тела при данной температуре и обладающее длительностью не менее чем 10-10с,что превышает период светового колебания.

Первая часть определения предложено Э.Видоманом и отделяет люминесценцию от равновесного теплового излучения. Вторая часть – признак длительности – введена С.И. Вавиловым для того, чтобы отделить люминесценцию от других явлений вторичного свечения – отражения и рассеяния света ,а так же от вынужденного испускания ,тормозного излучения заряженных частиц.

От излучения нагретых тел она отличается своей неравновесностью: люминесценция практически не использует тепловую энергию излучающей систему, поэтому ее часто называют холодным светом. Это определение отличает люминесценцию также от всех других видов неравновесного свечения – рассеяния и отражения света, комбинационного рассеяния, излучения Вавилова – Черенкова и т.д.

Люминесценция возникает в результате электронного перехода при возвращении частиц из возбужденного состояния в нормальное. Таким образом, молекула преобразует поглощенную энергию в собственное излучение. Этим люминесценция также отличается от несобственного излучения – рассеяния и отражения света. Люминесцирующие вещества могут находиться в любом агрегатном состоянии. В возбужденное состояние частицы люминесцирующего вещества могут переходить под действием света и тогда люминесцирующие называют фотолюминесценцией( флуоресценцией или фосфоресценцией),под действием рентгеновского излучения – рентгенолюминесценцией, в результате химической реакции – хемилюминесценцией и т.д.

Условия, в которых возбуждаются и светят частицы люминесцентного вещест ва, совершенно отличны от условий, в которых находятся частицы раскаленного тела. В то время как при нагревании тела увеличивается энергия всех его частиц, при возбуждении люминесценции энергию получают лишь отдельные частицы, остающиеся в окружении огромного числа невозбужденных частиц.

Наиболее простым способом возбуждение люминесценции является освещение люминесцентного вещества ультрафиолетовыми лучами и коротковолновыми лучами видимого света; при этом в каждый данный момент свет поглощает лишь некоторые частицы люминесцентного вещества, которое и приходят в возбужденное состояние. Кроме того, как указывал С.И. Вавилов важным признаком люминесценции ее заметная длительность по сравнению со световыми колебаниями, имеющим период 10-10 сек.

Свечение люминесценции продолжается, по крайней мере десятимиллиардную долю секунды после прекращения возбуждения, т.е. энергия, поглощенная частицами вещества, не излучается мгновенно. Этим люминесценция отличается от других видов свечения, например от излучения поверхностей, отражающих и рассеивающих свет какого-нибудь постороннего источника.

Природное применение люминесцентного свечения – наблюдали еще первобытные люди, но более конкретное, сознательное описание явлений и их способностей началось более нескольких веков назад.

Систематические количественные исследование холодного свечения, были начаты более века назад трудами английского физика Э.Беккереля.

Следует отметить, что два величайших открытия конца XIX века: лучей Рентгена и радиоактивности неразрывно связаны с исследованием люминесценции.

1. Люминесцентные методы анализа

1. содержание определяемого вещества в стандартном образце должно быть точно известно;

2. химический состав матрицы (основы) стандартного образца должен быть идентичен (или подобен в практически достижимой мере) матрице пробы;

3. стандартный образец и проба должны обладать близкими физическими свойствами.

В практике люминесцентного анализа используют как жидкие, так и твердые стандартные образцы. Жидкие стандартные образцы готовят растворением определяемого вещества в подходящем растворителе. При этом в раствор добавляют в необходимых количествах вещества, составляющие основу пробы. Применение люминесценции кристаллофосфоров для определения неорганических веществ связано с использованием твердых стандартных образцов. Как правило, процедура их приготовления трудоемка, требует тщательности и особых мер предосторожности и обычно проводится на специальной аппаратуре.

Для расчета содержания вещества в пробе по результатам люминесцентных измерений чаще всего используют метод градуировочного графика, сравненияидобавок.

Метод градуировочного графика. В этом методе измеряют интенсивность люминесценции серии стандартных образцов (обычно не менее пяти), охватывающих весь диапазон ожидаемых содержаний определяемого вещества в пробе, и строят график зависимости интенсивности люминесценции от массовой доли определяемого вещества. В идеальном случае градуировочный график должен быть линейным и проходить через начало координат. На практике он оказывается линейным лишь в узком диапазоне содержаний определяемого вещества и редко выходит из начала координат.

В аналитической практике наиболее широкое применение получила фотолюминесценция, а именно флуоресценция.

Флуоресценция - это характерное свечение анализируемых растворов и кристаллофоров в ультрафиолетовом свете.

Флуориметрия -метод определения содержания люминофора в растворе,основанный на измерении спектра его флуоресценции. В основе этого метода лежат следующие закономерности.
Независимость спектра люминесценции от длины волны возбуждающего света. Это объясняется тем, что возбужденные молекулы, поглотившие кванты различной величины, попадают на уровни разных возбужденных электронно-колебательных состояний. После такого перераспределения избыточной энергии происходит излучательный переход с одних и тех же электронных уровней, поэтому спектр люминесценции не изменяется.

Рисунок - Зеркальная симметрия спектров поглощения ε = f (v)
(кривая 1) и флуоресценции I/v = f(v) (кривая 2) родамина 6Ж в ацетоне.

Вещества-люминофоры определяют по их собственной флуоресценции. Если определяемые вещества не являются люминофорами, то для их определения используют люминесцентные реакции. Последние должны сопровождаться возникновением или ослаблением флуоресценции раствора. Как и каждая реакция, применяемая в анализе, люминесцентная реакция должна протекать быстро, количественно, быть воспроизводимой и по возможности избирательной. При флуориметрическом определении ионов металлов чаще всего используют реакции комплексообразования с органическими реагентами. В идеальном случае применяемые для анализа реагенты не должны флуоресцировать, а образующиеся комплексы, напротив, должны обладать интенсивной флуоресценцией. Молекулы таких реагентов обычно имеют неплоскую и нежесткую ароматическую структуру и содержат электронодонорные заместители. В результате комплексообразования они приобретают плоскую жесткую конфигурацию, склонную к флуоресценции.

Для определения анионов часто используют косвенный флуориметрический метод, основанный на тушении люминесценции. Примером такого метода может служить определение иодид-ионов по тушению флуоресценции флуоресцеина.

Пределы обнаружения веществ флуориметрическим методом составляют от 10-8 до 10-4 %.

2. Теоретические основы

Способность атомов и молекул поглощать энергию, поступающую к ним извне, вызывает новое энергетическое состояние вещества, которое называется возбужденным. Избыточная энергия атомов или молекул, полученная при возбуждении, может быть израсходована на отрыв электронов - ионизацию вещества; на какие-либо фотохимические реакции; на нагрев вещества, т. е. переход избыточной энергии в тепловую. Кроме того, возбужденные атомы или молекулы способны отдавать всю избыточную энергию или часть ее в виде света. Как правило, большинство твердых веществ, при сильном нагревании светятся. Такое свечение раскаленных тел называют температурным или тепловым излучением. Чем больше энергии при данной температуре поглощает тело, тем оно больше ее излучает.

У некоторых веществ наблюдается свечение и без нагревания при комнатной температуре, которое называют холодным свечением или люминесценцией. В отличие от температурного люминесцентное излучение является неравновесным и продолжается относительно долгое время после прекращения действия внешнего возбуждающего фактора.

Люминесценция – свечение вещества после поглощения им энергии возбуждения.

Переходя в более низкое энергетическое состояние, возбужденные частицы испускают квант света – люминесцируют. Длительность послесвечения для различных люминесцирующих веществ различна: от миллиардных долей секунды (для отдельных атомов и молекул) до часов и даже нескольких суток (для кристаллофосфоров).

Явления люминесценции многообразны по свойствам и происхождению. Различные виды люминесценции определяются характером энергии возбуждения, продолжительностью свечения и химическими свойствами люминесцирующих веществ. В зависимости от вида люминесценции рассматривают следующие разделы люминесцентного анализа: 1) фотолюминесценция, или флуоресценция, основанная на свечении вещества при поглощении лучистой, или световой энергии;

2) катодолюминесценция, вызванная бомбардировкой быстролетящих электронов;

3) хемилюминесценция - свечение веществ под действием некоторых химических процессов;

4) триболюминесценция - люминесценция трения и т.п.
Все люминесцирующие вещества имеют общее название люминофоры.

Неорганические люминофоры называют чаще всего просто люминофорами, а органические - органолюминофорами. Органические и неорганические люминофоры существенно отличаются по природе свечения. У первых процессы поглощения возбуждающего света и излучения протекают в пределах каждой способной люминесцировать молекулы. У вторых, чаще всего активированных и имеющих кристаллическую структуру, в акте люминесценции участвуют не отдельные атомы и молекулы, а кристаллы. Эти люминофоры называют кристаллофосфорами.

Известно два механизма возникновения свечения:

1) свечение отдельных центров, когда процесс возникновения люминесценции протекает лишь в одной частице (центр свечения), являющейся как поглотителем энергии, так и излучателем световых квантов;

2) рекомбинационные процессы свечения, при которых, как правило, поглощение энергии осуществляется не теми частицами, которые излучают световые кванты.

По первому механизму осуществляется свечение большинства органических веществ в растворе, в том числе и внутрикомплексных соединений органических люминесцентных реагентов с катионами. Свечение кристаллов с решетками молекулярного типа, например, нафталина, антрацена и их производных, определяется рекомбинационными процессами. Такое свечение наблюдается и у сульфида цинка, сульфида кадмия, оксида кальция и т. п., кристаллические решетки, которых обладают некоторыми дефектами, вызванными внедрением примесей (или активаторов) - ионов тяжелых металлов. В этом случае в возникновении флуоресценции принимает участие весь кристалл в целом, такой вид свечения называют свечением кристаллофосфоров.

3. Stevens A., Yang H., Kovarik L., Yuan X. Compressive Sensing in Microscopy: a Tutorial // Microscopy and Microanalysis, 2016. Т. 22. № . S3. Р. 2084–2085. DOI: 10.1017/S1431927616011260.

Сущность оптических методов

Для различных нужд создаются оптические системы различной конструкции [3, 4]:

Лазерная конфокальная микроскопия

Читайте также: