Определение люминесценции; время жизни.

Излучение, избыточное над тепловым, длительность которого намного превышает период световых колебаний, называется люминесценцией. По длительности излучения люминесценция делится на флуоресценцию (длительностью 10-8‑10-9 с) и фосфоресценцию (длительностью 10-6 с и более).

Характеристиками люминесценции являются среднее время жизни, спектры возбуждения и излучения, квантовый и энергетический выходы и поляризация.

Изменение населенности возбужденного уровня молекулы, с которой испускается люминесценция (в данном случае для простоты будем рассматривать флуоресценцию), может быть описана следующим дифференциальным уравнением:

(4.1)

В этом уравнении n — заселенность уровня, k — коэффициент поглощения света, I — интенсивность возбуждающего света, kf — константа скорости флуоресценции, ki — константа скорости внутренней конверсии, kd — константа скорости безизлучательной тепловой деградации. После прекращения возбуждения уравнение (4.1) примет вид

(4.2)

Его решение имеет вид , где

(4.3)

Поскольку интенсивность флуоресценции пропорциональна n, через время t=τ=(kf+ki+kd)-1 интенсивность флуоресценции уменьшится в е раз. Величина τ называется временем жизни или длительностью флуоресценции.

Время жизни флуоресценции измеряется либо с помощью фазовой флуорометрии, либо с помощью лазерной пикосекундной техники, а время жизни фосфоресценции — с помощью фосфороскопа.

Остановится на методе фазовой флуорометрии. Блок-схема установки для измерения времени жизни этим методом показана на рис. 11.

На рис. 11 обозначения имеют следующий смысл: 1 – источник света для возбуждения флуоресценции, 2 – модулятор, модулирующий световой поток с круговой частотой ω. Обычно это либо модулятор на стоячих ультразвуковых волнах, либо ячейка Керре. Частота модуляции обычно бывает около 10 МГц. Модулированный поток через полупрозрачную пластинку 3 и фильтр 4 падает на образец 5. Излучение флуоресценции и возбуждающий свет попадают на приемники 6 и 7 (обычно ФЭУ с подходящей спектральной чувствительностью). Радиотехническая схема 8 вырабатывает сигнал, пропорциональный сдвигу фаз между возбуждающим светом и флуоресценцией.

Величина M описывает глубину модуляции. Излучаемая образцом флуоресценция будет отставать по фазе от возбуждающего света на угол φ, а степень модуляции уменьшится, что мы будем описывать множителем m. Таким образом, интенсивность люминесценции будет иметь вид:

Как мы уже указывали, с помощью радиотехнических устройств (обычно фазачувствительных, синхронных детекторов) измеряют фазовый угол φ и фактор демодуляции m. В случае единственного времени жизни (моноэкспоненциальный спад), эта величина может быть рассчитана по измеряемым значениям φ и m по следующим формулам:

В случае, если образец флюоресцирует с несколькими временами жизни флуоресценции, тогда время τ, вычисленное из величины φ не согласуется с величиной τ, определенной по величине фактора демодуляции. В этом случае возникают более сложные выражения для определения τi:

(4.4)

В этих выражениях φ(ω) и m(ω) — фазовый сдвиг и фактор демодуляции, определяемые экспериментально; τi — время жизни i-го компонента, fi — доля i-компоненты в общей интенсивности флуоресценции. Вообще говоря, величины fi и τi могут быть определены из измерений φ и m при n модулирующих частотах, при этом необходимо вычислить n величин N(ω) и D(ω). Тогда можно написать систему 2n уравнений, из которых определить 2n параметров fi и τi.