3. LUMINESCENCJA. WYZNACZENIE WYDAJNOŚCI KWANTOWYCH FLUORESCENCJI

Transkrypt

1 3. LUMNESCENCJA. WYZNACZENE WYDAJNOŚC KWANTOWYCH FLUORESCENCJ 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 (S ), 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

2 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 S 1 na dowolny oscylacyjno-rotacyjny poziom stanu podstawowego S. (por. przejście S 1 S rys. 1) nazywana jest fluorescencją. Bezpromieniste przejście elektronu z poziomu S 1 do metastabilnego poziomu trypletowego T 1 powoduje pojawienie się emisji związanej z przejściem elektronowym T 1 S, przesuniętej ku dłuŝszym falom w stosunku do fluorescencji S 1 S, zwanej fosforescencją, (por. rys. 2). Rys 2. Względne połoŝenia widm: A absorpcji, B fluorescencji, C fosforescencji. Przejścia bezpromieniste pomiędzy stanami elektronowymi o jednakowej krotności (S 2 ~~>S 1, T 2 ~~>T 1 ) nazywamy konwersją wewnętrznej, natomiast przejścia bezpromieniste, które zachodzą pomiędzy stanami o róŝnej krotności (S 1 ~~> T 1 i T 1 ~~> S 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 S 1 ~~>S (T 2 ~~> T 1 ), jak i S 1 ~~>T 1 (T 1 ~~>S ) zachodzą bez zmiany konfiguracji i pędów jąder. Przejście cząsteczki ze stanu S 1 na wysoki poziom oscylacyjny stanu S 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 s, procesie relaksacji oscylacyjnej, a więc ostatecznie zamieniona na energię kinetyczną 2

3 cząsteczek. Proces ten jest bardzo szybki i podobnie jak relaksacja oscylacyjna następuje po wzbudzeniu cząsteczki do wyŝszych stanów wibronowych 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 () 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, to: d = kdx (1) Oznaczając przez natęŝenie wiązki wchodzącej do absorbującej warstwy o skończonej grubości d, natomiast przez p natęŝenie, jakie ma ta wiązka po przejściu przez warstwę, obliczamy rozdzielając zmienne w równaniu i całkując jego lewą stronę w granicach od = do = p, zaś prawą w granicach od x = do x = d: p ln = ln = kd, e kd p p = (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 p = ad (3) Współczynnik a = k/2,33 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 2,33εc, w którym 3

4 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 p cd A = εcd A, p 1 ε = = 1 (4) WyraŜenie log ( / p ) nazywamy absorbancją i oznaczamy symbolem A. Maksymalna wartość molowego współczynnika absorpcji, ε maks, jest miarą intensywności przejścia. PoniewaŜ pasmo absorpcji rozciąga się na pewien zakres liczb 1 falowych, % ν = [cm 1 ], podanie wartości molowego współczynnika absorpcji tylko dla jednej λ liczby falowej moŝe nie być prawdziwym wskaźnikiem intensywności pasma. ntegralny 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 = εint ε (% ν )d% ν (5) % ν 1 Rys. 3. ZaleŜność molowego współczynnika absorpcji od liczby falowej promieniowania zaabsorbowanego przez substancję. 4

5 nną wielkością charakteryzującą absorpcję promieniowania w ośrodku pochłaniającym jest stosunek p / zwany przepuszczalnością (transmitancją), podawany takŝe w procentach: T p p = lub T % = 1 (6) Pomiędzy absorbancją a przepuszczalnością zachodzi prosty związek: A = logt 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=E cos(ωt): 1. Warunek konieczny warunek rezonansu: Energia promieniowania padającego hν musi być równa róŝnicy energii pomiędzy badanymi stanami: hν = E E (8) n m 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. M = ψ µ ψ τ (9) * mn m nd E -amplituda pola elektrycznego promieniowania, ω - częstość kołowa promieniowania (w s -1 ) µ - operator momentu dipolowego cząsteczki: µ = e Z AR A e atomy A elektrony Z A - ładunek jądra, wektory R A i r i - połoŝenie jąder i elektronów. ψ m i ψ n pełne funkcje falowe obu stanów cząsteczki, między którymi zachodzi przejście. i r i Szybkość przejścia w mn (szybkość zmiany prawdopodobieństwa przejścia) w mn dp 2 2 mn π = = E M 2 mn (1) dt 6h 5

6 Kwadrat momentu przejścia jest miarą intensywności absorpcji, opisywaną przez wielkość nazywaną mocą lub siłą oscylatora przejścia: 2m 4m ε f M B 3h e e e 2 e mn = hω 2 2 mn mn = hω 2 mn mn B mn - współczynnik absorpcji wymuszonej Einsteina 1 B mn = 6ε h 2 M 2 mn (11) (12) (m e 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 1 ( ) ε ν ν 9 = % d % (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: A nm 8π hν = B 3 c mn A nm -współczynnik emisji spontanicznej Einsteina, B mn - współczynnik absorpcji wymuszone Einsteina. Jeśli wzbudzone cząsteczki B* ulegają dezaktywacji tylko przez emisję fluorescencji, to natęŝenie fluorescencji, wynoszące z chwilą przerwania wzbudzania, maleje z upływem czasu wykładniczo, zgodnie z równaniem: (14) k f t t / τ t = e = e (15) Symbolem k f oznaczona została stałą szybkości promienistego zaniku fluorescencji (por. rys. 1) i stała ta jest toŝsama ze współczynnikiem emisji spontanicznej Einsteina A nm. Chwilowe natęŝenie emisji jest proporcjonalne do chwilowej szybkości zaniku wzbudzonych cząsteczek B*, wyraŝonej pochodną (-d[b*]/dt). W równaniu (15) τ = 1/k f oznacza 6

7 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 A nm i współczynnikiem absorpcji wymuszonej Einsteina B mn (14) i związku pomiędzy B mn z integralnym współczynnikiem absorpcji moŝna wnosić, Ŝe wartość τ musi być odwrotnie proporcjonalna do ε int.uproszczony wzór okreslający tę zaleŝność, po podstawieniu liczbowych wartości stałych fizycznych, przybiera postać: τ = 3, 44 1 % ν2 2 m % ν1 8 % ν ε (% ν ) d % ν (16) ~ ν - liczba falowa odpowiadająca maksimum pasma absorpcji przejścia S 1 S, a 2 ε ( ~ ν ) d ~ ν m 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: ~ ν ~ ν 1 t τ = e o (17) gdzie: τ średni mierzony doświadczalnie najkrótszy czas zaniku, po którym wartość wartości e 1 i wynosi: o maleje do 1 τ = (18) ( k + k + k ) f k C stała szybkości konwersji wewnętrznej (S 1 S o ) i moŝe zmieniać się w szerokich granicach, często oceniana jest na s -1 ; k SC stała szybkości konwersji międzysystemowej i jej wartość jest zwykle zawarta w granicach s -1 ; k f stała szybkości emisji fluorescencji i wynosi s -1, jeśli przejście S 1 S o (por. rys. 1) jest dozwolone wszystkimi regułami wyboru. C SC 7

8 1.4. Wydajność kwantowa fluorescencji Wydajność kwantową fluorescencji ϕ f 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 (ϕ f ) jest niemal zawsze mniejsza od jedności i na ogół zmienia się proporcjonalnie do τ (wyjątek stanowią rozrzedzone gazy), τ k f φ f = = o τ k + k + k f C SC o τ naturalny średni czas Ŝycia cząsteczek w stanie wzbudzonym i moŝna go w przybliŝeniu wyznaczyć korzystając z relacji (16). (19) 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-VS. 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

9 Rys. 3. Schemat blokowy spektrofotometru absorpcyjnego. Z źródło promieniowania polichromatycznego, M monochromator, F fotometr, K, 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 jak 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) K. W przypadku pomiarów absorpcji roztworów w obszarze widzialnym lub nadfiolecie, kuweta K 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) 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

10 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, X- Y 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] 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. φ f τ o τ = (2) 1

11 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 S S 1. 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 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. mpuls 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

12 (a) L (b) PD S F PM V 1 czas 1 R V 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, R- generator liniowo narastającego napięcia (1-start, -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

13 2.2 Wyznaczenie względnej wydajności kwantowej metodą porównawczą W metodzie porównawczej względną wydajność kwantową oblicza się z zaleŝności: F ϕ ε c l n ϕ A n = = (21) F c l n A n o ϕ1 ε1 1 1 o 1 ϕ1 1 1 gdzie: F 2 i F 1 oznaczają powierzchnię pod krzywymi rozkładu natęŝeń fluorescencji w widmach emisji próbki i wzorca, ϕ 1 i ϕ 2 są odpowiednio bezwzględne wydajności kwantowe wzorca o znanej wydajności kwantowej i próbki, ε 2 i ε 1 - molowe współczynniki absorpcji próbki i wzorca przy długości fali światła wzbudzającego (takiej samej dla wzorca i próbki), c 2 i c 1 - stęŝenie badanej próbki i wzorca, l 2 i l 1 - długości drogi optycznej w warstwach roztworów próbki i wzorca, - intensywność początkowa, n 2 i n 1 - współczynniki załamania światła rozpuszczalnika próbki i wzorca, A 2 i A 1 - absorbancja próbki i wzorca przy długości fali światła wzbudzającego fluorescencję (istotne jest, aby absorbancja próbki i wzorca nie przekraczała wartości,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 Związek Rozpuszczalnik λ ex [nm] φ f Sulfonowana chinina.1 M H 2 S ±.23 Fenol Woda ±.1 Rodamina 6G Etanol Rodamina 11 Etanol Chlorofil a Metanol ±.2 Chlorofil a Eter etylowy _.2 ±.2 Chlorofil b Metanol _.48 ±.7 Chlorofil b Eter etylowy _.74 ±.7 Ftalocyjanina Zn Toluen 61.3±,2 13

14 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 (τ ). 3.1 Opracowanie widm absorpcji roztworu badanego związku Wykonanie ćwiczenia polega na pomiarze widm absorpcji badanych związków przy uŝyciu spektrofotometru UV VS, 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 ODNOŚNK FOTOPOWELACZ MERNK KOMPUTER Rys.7. Schemat blokowy spektrofotometru (UV-211PC) UV-VS (Scanning Spectrophotometr Shimadzu). 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, mol dm 3 ) 14

15 Z widma zarejestrowanego w całym mierzonym zakresie spektralnym naleŝy wybrać pasmo odpowiadające pierwszemu przejściu absorpcyjnemu S 1 S. W przypadku roztworów ftalocyjaniny naleŝy wybrać fragment 5-75 nm (por. rys. 9). Rys. 9. Fragment widma absorpcji wodnego roztworu ftalocyjaniny (c= 1, 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.1 przedstawiono fragment widma absorpcji po dokowaniu tych zamian. 1,6x1 6 D Molowy współczynnik absorpcji 1,4x1 6 1,2x1 6 1,x1 6 8,x1 5 6,x1 5 4,x1 5 2,x1 5, Liczba falowa Rys. 1. Fragment widma absorpcji wodnego roztworu ftalocyjaniny (c= 1, mol dm 3 ) 15

16 Kolejnym krokiem jest rozkładanie widma w tym zakresie na kilka pasma (np. programem ORGN), 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.1). 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 (τ ). 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 3 Liczba impulsów 2 1 ln (liczby impulsów) Numer kanału numer kanału Rys. 11a. Liczba impulsów (fotonów) emisji zliczona w kaŝdym kanale analizatora Rys. 11b. Logarytm naturalny z liczby impulsów emisji w funkcji numeru kanału. 16

17 Przed kaŝdym pomiarem dobierana jest skala podstawy czasu, tj. czas, w którym rejestrujemy liczbę impulsów pojawiających się od chwili t = 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] 1,1455 2,2919 5,6322 loczyn 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. kuweta kwadratowa kuweta trojkatna ln (liczby impulsów) 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 1-5 M. 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 od czasu jest zaleŝnością liniową, jeśli zanik emisji jest monoeksponencjalny, a współczynnik kierunkowy prostej: ln()=f (t); ln t = + ln o jest równy 1/τ. τ 17

18 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. loraz τ/τ jest wielkością wydajności kwantowej fluorescencji, którą równieŝ naleŝy obliczyć. Literatura: [1] K. Pigoń, Z. Ruziewicz, Chemia fizyczna, PWN, Warszawa, (1986), (rozdz , , ). [2] A. Kawski, Fotoluminescencja roztworów, PWN, Warszawa, (1992), (rozdz.1, 6). Opracowała dr hab. Krystyna Palewska 18