Luminescencja

Każda energia absorbowana przez układ musi zostać wyemitowana. Może to zrobić na kilka sposobów, na przykład w postaci luminescencji, ciepła lub zmian konformacyjnych w cząsteczkach. Według naukowca Siergieja Wawiłowa: „Luminescencja to nadwyżka promieniowania ciała nad promieniowaniem temperaturowym tego samego ciała w danej części widmowej i w danej temperaturze, która ponadto charakteryzuje się skończonym czasem świecenia, to znaczy nie zanika natychmiast po przerwaniu wzbudzenia”.

Rodzaje luminescencji

Wyróżniamy różne rodzaje luminescencji, które podzielone są ze względu na czynnik, który wzbudza je do świecenia. Najpopularniejsze to:

1. Fotoluminescencja, gdzie czynnikiem wzbudzającym jest promieniowanie elektromagnetyczne z obszaru widzialnego, ultrafioletu lub podczerwieni. Wyemitowana energia w postaci światła jest zazwyczaj mniejsza od energii wzbudzającej.
2. Chemiluminescencja, w której substancja jest wzbudzona w wyniku reakcji chemicznych, na przykład utlenianie luminolu wywołuje to zjawisko. Znajduje ono zastosowanie podczas wykrywania krwi na miejscu zbrodni – rozpyla się mieszaninę luminolu i nadtlenku wodoru – silnego utleniacza.
3. Bioluminescencja, charakteryzująca się wzbudzeniem substancji w wyniku reakcji biochemicznych, można ją zaobserwować na przykładzie robaczków świętojańskich. W praktyce ten rodzaj emisji promieniowania jest wywołany reakcją enzymatyczną, która prowadzi do utlenienia lucyferyny przez lucyferazę. Wszystkie organizmy żywe posiadają zdolność do bioluminescencji, jednak jest ona zazwyczaj zbyt niska, by ją zauważyć.
4. Elektroluminescencja, gdzie wzbudzenie cząsteczki ciała stałego ma miejsce w zmiennym lub stałym polu elektrycznym, natomiast gazy ulegają jej podczas wyładowań elektrycznych. To zjawisko wykorzystuje się między innymi w lampach jarzeniowych, kondensatorach elektroluminescencyjnych oraz przetwornikach obrazu.
5. Rentgenoluminescencja to emisja światła wywołana przez promieniowanie rentgenowskie. Ekrany wzmacniające stosowane do poprawy jakości zdjęć bazują na tym zjawisku, z wykorzystaniem wolframianu wapnia.

Ponadto istnieje wiele innych rodzajów luminescencji, takich jak radioluminescencja, elektronoluminescencja, sonoluminescencja, tryboluminescencja oraz termoluminescencja.

Fotoluminescencja

Najczęściej wykorzystywanym w analizie chemicznej zjawiskiem jest fotoluminescencja. Możemy ją podzielić na dwie główne kategorie, możliwe do rozróżnienia w zależności od mechanizmów przejść elektronowych lub bardziej obrazowo według czasu pomiędzy pochłonięciem a wyemitowaniem energii. Są to:

• Fluorescencja, która jest świeceniem krótkotrwałym, a od pochłonięcia energii do emisji nie upływa więcej niż 10^-8 Występuje przy samorzutnym przejściu z wyższego poziomu energetycznego elektronu na niższy.
• Fosforescencja to natomiast zjawisko świecenia długotrwałego, do którego dochodzi w czasie dłuższym niż 10^-8s od pochłonięcia energii. Czasami wyemitowanie światła zajmuje nawet kilka godzin lub dni. Ten rodzaj energii wymaga istnienia poziomów metatrwałych i powstaje przy udziale energii cieplnej ośrodka.

Energia fluorescencji i fosforescencji jest o wiele mniejsza niż energia promieniowania wzbudzającego. Jest to wynikiem degradacji energii cząsteczki na drodze przejść bezpromienistych, termicznych. Ponieważ fotony emitowane posiadają mniejszą energię od tych wzbudzających, widmo emisyjne przesuwa się w kierunku fal dłuższych. Najbardziej przesunięte jest widmo fosforescencji, ponieważ przejście stanu cząsteczki odbywa się nie z poziomu zerowego wzbudzonego stanu singletowego S₁ jak w przypadku fluorescencji, ale z poziomu zerowego stanu trypletowego T₁ na dowolny poziom oscylacyjno-rotacyjny singletowego stanu podstawowego S₀. Takie przejścia graficznie można zaobserwować na Diagramie Jabłońskiego.

Fluorescencja

Jest najczęściej wykorzystywanym zjawiskiem luminescencji w analizie chemicznej. Taką emisję promieniowania opisuje się przy pomocy kilku podstawowych cech, czyli: widma absorpcji, widma fluorescencji, bezwzględnej wydajności kwantowej fluorescencji oraz czasu trwania emisji. Bezwzględna wydajność kwantowa określa stosunek liczby kwantów promieniowania wyemitowanego do liczby kwantów promieniowania wzbudzającego. Czas trwania emisji jest natomiast czasem, w którym dochodzi do zaniku intensywności fluorescencji do określonej wartości. Ciekawym zjawiskiem jest też wygaszanie stężeniowe, które charakteryzuje się granicą stężenia luminoforu w roztworze, po którego przekroczeniu, fluorescencja zaczyna maleć. Luminoforem nazywamy związki chemiczne wykazujące luminescencję. Są to na przykład polimery, eozyna, siarczki ZnS oraz tlenosiarczki itru.

Fotoluminescencja związków organicznych

Okazuje się, że istnieje wiele prawidłowości, które wykazują cząsteczki organiczne względem fotoluminescencji. Ich pasmo fluorescencyjne jest przesunięte względem pasma absorpcji w kierunku fal dłuższych, jednak częściowo widma się nakładają. Występuje również proporcjonalna zależność pomiędzy natężeniem światła wzbudzającego, absorpcją i wydajnością kwantową fluorescencji a fluorescencją. Dzięki temu możliwe jest jej zastosowanie w analizie jakościowej i ilościowej. Analiza ilościowa wykorzystująca to zjawisko nazywana jest spektrofluorymetrią. Technika charakteryzuje się niższą granicą wykrywalności w stosunku do spektrofotometrii absorpcyjnej i jest bardzo selektywna. Selektywność wynika z faktu, iż fluorescencji ulegają specyficzne związki chemiczne, pochodne związków arylowych, posiadające skoniugowany układ wiązań podwójnych. W praktyce oznacza to, że im więcej w strukturze pierścieni aromatycznych, tym silniejsze właściwości fluoryzujące wykazuje związek chemiczny. Zastosowanie spektrofluorymetrii w chemii organicznej obejmuje analizę związków biologicznie czynnych, takich jak witaminy, aminokwasy, białka; środków farmaceutycznych, w tym antybiotyków; środków spożywczych takich jak węglowodany i tłuszcze oraz substancji toksycznych w środowisku na przykład WWA (wielopierścieniowe węglowodory aromatyczne).

Spektrofluorymetria związków nieorganicznych

Analizy w obrębie chemii nieorganicznej oparte na zjawisku fluorymetrii wykonuje się z użyciem mechanizmu wytwarzania kompleksów chelatowych pomiędzy pierwiastkami takimi jak glin, beryl, magnez, wapń i pierwiastków ziem rzadkich z odpowiednimi ligandami organicznymi. Te kompleksy wykazują specyficzną dla siebie fluorescencję, a granice wykrywalności metody są bardzo niskie.

Tabela 1. Przykłady odczynników stosowanych do fluorymetrycznego oznaczania metali wraz z granicą wykrywalności.