Флуоресценция

 

Федеральное агентство морского и речного транспорта РФ

МОРСКОЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ  УНИВЕРСИТЕТ

имени адмирала Г.И. Невельского 

Гуманитарный  институт

 

Морского  физико-технического института 
 
 
 
 

Курсовая  работа по  флуоресценции   
 
 
 
 

                                                                       Выполнил: Демиденко А. А.,

    студент 20.31 группы

Руководитель: Майор А. Ю.  
 
 
 
 
 
 

Владивосток

2010

Оглавление.

0. Введение.
1. Глава 1 – основы спектроскопии.
1. Диаграмма Яблонского.
2. Характеристики испускания флуоресценции.
3. Стоксов сдвиг.
4. Независимость спектра испускания от длины волны возбуждения.
5. Правило зеркальной симметрии.
2. Глава 2 – Технические составляющие.
1. Фото - электронный умножитель.
2. Электронно - оптический преобразователь.
3. Приборы с зарядовой связью.
1. Металл - окисел - полупроводник (МОП-ёмкость).
2. Зарядовая связь.
3. Сдвиговый регистр с зарядовой связью.
4. Фоточувствительные приборы с зарядовой связью (ФПЗС).
3. Глава 3 – Флуориметры.
1. Проточный лазерный флуориметр.
2. Малогабаритный ЛИФ спектрометр.
4. Заключение.
5. Список используемой литературы.

 
 
 
 
 
 
 
 

Введение 
 
 

    Решение проблем окружающей среды и рационального  использования природных ресурсов во многом зависит от разработки и  внедрения методов дистанционного экспресс-анализа малых примесей в атмосфере и воде. В естественных водных средах такими примесями являются биологическая связь, растворенные органические и минеральные вещества, многочисленные загрязнители. Большими возможностями в анализе примесей располагает лазерная спектроскопия, использующая комбинационное рассеивание света, флуоресцентный анализ.

    В настоящее время для оперативного мониторинга водных экосистем широко применяют оптические методы  позволяющие  определять концентрацию фитопланктона и других веществ. Наибольшее распространение получили спектральные методы. Особенно актуальными такие исследования стали после выявления прямой зависимости биологической продуктивности морей и океана от содержания в воде фитопланктона.

    Определение концентрации фитопланктона по оптическим характеристикам морской среды может выполняться пассивными и активными методами. Первый широко используют с применением авиа- и спутниковых носителей. Эти методы основаны на измерении яркости отражаемой от поверхности воды солнечной энергии в широком диапазоне длин волн. Они позволяют собирать масштабные данные о поверхности водной среды, но имеют существенные ограничения: малое пространственное разрешение и невозможность измерения глубинных профилей. Использование пассивных методов ограничивается их не высокой точностью, что обусловлено сильным влиянием состояния атмосферы в месте проведения измерений.

    Активные методы основаны на облучении воды лазерным лучом и регистрации спектра флуоресценции. Различают лидарные, прокачиваемые и погружные флуориметры.   Самыми оптимальными являются проточные флуориметры, которые обладают высокой точностью и большим пространственным разрешением. 
 

 

     Глава: 1

                                        

    Основы  спектроскопии. 

   Люминесценция- испускание фотонов из электронно-возбужденных состояний – делится на два типа в зависимости от природы основного и возбужденного состояния. В синглетном возбужденном состоянии электрон на энергетически более высокой орбитали и второй электрон на орбитали с более низкой энергией имеют противоположную ориентацию спинов. Говорят, что эти электроны спарены. В триплетном состоянии эти электроны не спарены, т.е. их спины имеют одинаковую ориентацию. При возвращении электрона из возбужденного сингнетного состояния в основное ориентация его спина не должна меняться.  Изменение ориентации спина необходимо при переходе из триплетного состояния в синглетное основное состояние.

   Флуоресценция- это испускание, происходящее при  возвращении спаренного электрона на более низкую орбиталь. Такие переходы квантовомеханически “разрешимы”, а типичные величины скоростей испускания для них~10⁸ с^-1. Высокие значения скорости испускания приводят к временам затухания флуоресценции 10⁸ с(10 нс). Время жизни- это средний период времени, в течение которого флуорофор находится в возбужденном состоянии. Фосфоресценция- это испускание, происходящее при переходе между состояниями различной мультиплетности, как правило из возбужденного триплетного состояния в синглетное основное. Такие переходы не разрешены, и константы скорости испускания малы. Типичный диапазон времени затухания фосфоресценции — от миллисекунд до секунд, что главным образом зависит от вклада других процессов дезактивации.

   Флуоресцентные спектральные данные обычно представляют в виде спектров испускания. Спектр испускания флуоресценции - это зависимость интенсивности флуоресценции от длин волн (в нанометрах) или волновых чисел (в см^-1). Два типичных спектра испускания флуоресценции приведены. Спектры испускания сильно изменяются и зависят как от химической структуры флуорофора, так и от растворителя, в котором флуорофор рас творен. Спектры некоторых соединений, таких, как перилен, имеют четкую структуры, обусловленную отдельными колебательными уровнями энергии основного и возбужденного состояний. Другие состояния, такие, как хинин, имеют спектры без колебательной структуры. 

  1.1. Диаграмма Яблонского

     Поглощение и испускание света хорошо иллюстрирует диаграмма уровней энергии, предложенная Яблонским. Основное, первое и второе электронные состояния обозначают S₀; S₁; S₂ соответственно (рис. 1.а). Каждый из этих уровней энергии может состоять из множества колебательных энергетических уровней, обозначаемых 0, 1, 2 и т. д. Переходы между различными электронными уровнями обозначены вертикальными линиями. Такое представление используется, чтобы наглядно

    

            

    РИС.1.а Диаграмма Яблонского. 

    

    Рис. 1.б Диаграмма Яблонского. 

    Показать мгновенную природу поглощения света. Этот процесс происхо-дит примерно за 10^-18с, время, слишком короткое для заметного смещения ядер(принцип Франка- Кондона).

   Энергетическая щель между различными колебательными уровнями энергии видна из спектра испускания перилена. Относительное число молекул перилена, находящихся в колебательных состояниях 0 и 1, описывается распределением Больцмана.

     1.2 Характеристики испускания флуоресценции 

    Для явления флуоресценции известно несколько основных характеристик. Существуют и исключения, но они редки. Если какая-либо из нижеперечисленных характеристик отсутствует у данного флуорофора, можно сделать вывод о некоторых особых свойствах этого соединения.

     

    1.3. Стоксов сдвиг 

   Рис. 2. Источником ультрафиолетового возбуждения служил солнечный свет, пропущенный через пластинку из голубого стекла. Перед приемником в качестве желтого фильтра стоял стакан с вином. Флуоресценция хинина лежит в области 450 нм и поэтому хорошо заметна невооруженным глазом. В настоящее время для определения величины стоксова сдвига используют другие методы.

   Потери энергии между возбуждением и испусканием неизменно наблюдаются для флуоресцирующих молекул в растворах. Одной из основных причин возникновения стоксова сдвига является быстрая релаксация на нижний колебательный уровень состояния S₁. К тому же обычно происходит переход

    

 

    РИС. 2. Схема первой установки для обнаружения стоксова сдвига. 

на возбужденные колебательные уровни состояния S₀(см. рис. 1), что приводит к дополнительной потере колебательной энергии. Вдобавок к этому стоксов сдвиг может быть еще более увеличен благодаря влияниям растворителя на флуорофоры к реакциям в возбужденных состояниях. В газовой фазе у атомов и молекул не всегда имеется стоксов сдвиг. Испускание без сдвига наблюдают тогда, когда концентрации газа достаточно малы для того, чтобы возбужденные молекулы не претерпевали столкновений с другими молекулами до процесса испускания. Такие столкновения приводят к релаксации. В жидкой фазе процессы соударения происходят непрерывно. 

1.4. Независимость спектра испускания от длины волны возбуждения 

   Спектр испускания флуоресценции обычно не зависит от длины волны возбуждения. При возбуждении на высшие электронные и колебательные уровни избыток энергии быстро расходуется, переводя флуорофор на самый нижний колебательный уровень состояния S₁. Эта релаксации происходит за время порядка 10^-12с и является, по-видимому, результатом сильного перекрывания множества состояний с примерно равными энергиями. Благодаря такой быстрой релаксации длина волны возбуждения обычно не влияет на спектр испускания. Существуют исключения (например азулен), когда испускание может происходить как из S₂, так и из S₁- состояния. Кроме того, возбуждение на красном крае спектра поглощения часто ведет к сдвигу флуоресценции в длинноволновую область. Этот сдвиг обусловлен тем, что возбуждение на красном краю спектра избирательно возможно для тех флуорофоров, которые наиболее сильно взаимодействуют с растворителем. 

   1.5. Правило зеркальной симметрии 

     Обычно спектр испускания флуоресценции представляет собой зеркальное отражение спектра поглощения, точнее, того поглощения, которое соответствует переходу из S₀ в S₁. Это особенно наглядно в случае перилена. Симметричная природа этих спектров определяется тем, что и поглощение, и испускание обусловлены одними и теми же переходами, а также сходством колебательных энергетических уровней состоянии S₀ и S₁. Для многих молекул различное распределение электронов в состояниях S₀ и S₁, существенно не влияет на эти уровни энергии. Согласно принципу Франка - Кондона, все электронные переходы происходят без изменения межъядерного расстояния. В результате, если данная вероятность перехода (фактор Франка — Кондона) между нулевым и вторым колебательными уровнями максимальна при поглощении, соответствующий переход будет наиболее вероятен также и в испускании (рис 3). 
 
 

РИС. 3 Правило зеркальной симметрии и факторы Франка-Кондона 
 
 

Глава: 2  

Технические составляющие. 

2.1-Фото Электронный Умножитель

Фотоэлектронным умножителем называют электровакуумный прибор, преобразующей энергию оптического излучения в электрические сигналы и содержащий фотокатод , вторично-электронный умножитель и анод. От вакуумного фотоэлемента ФЭУ отличается тем, что кроме фотокатода и анода содержит ещё фокусирующую  электронно-оптическую систему, диафрагму и дополнительные электроды (диноды), являющиеся эмиттерами вторичных электронов. ( рис. 4)

При освещении  фотокатод 1 эмитирует первичные  фотоэлектроны, которые ускоряются электрическим полем и фокусируются электронно-оптической системой 2 на первый динод Э₁, вызывая его увеличенную вторичную электронную эмиссию. Вторичные электроны, вылетевшие из первого динода, ускоряются электрическим полем и направляются на второй динод Э₂ , увеличенный поток электронов со второго динода направляется на третий и т.д.

Электрическое поле, ускоряющее электроны, создаётся  делителем постоянного напряжения, обеспечивающим больший положительный потенциал каждого последующего каскада относительно предыдущего  R1 – R11 .

Пространство  образуемое поверхностями фотокатода 1 и первого динода Э₁ с расположенными между ними электродами, котодной (входной) камерой ФЭУ  Форма и распределение электрического потенциала на поверхности фотокатода фокусирующего электрода 2 и диафрагмы 3 должны обеспечить максимальный сбор фотоэлектронов на первый динод за счёт использования законов движения электронов электрическом поле. Качество электронно-оптической системы катодной камеры определяется коэффициентом сбора электронов Y_k (отношением числа фотоэлектронов, достигших первого динода, к общему числу эмитированных фотокатодом электронов n_k ) . Коэффициент сбора электронов у современных ФЭУ близок к единице.

   Первичные  фотоэлектроны, попадая на первый  динод, взаимодействуют с электронами  его вещества  и возбуждают  их до более высоких энергетических состояний. Часть электронов перемещается к границе динода с вакуумом. Электроды, которые достигают поверхности с энергией, превышающей поверхностный потенциальный барьер, переходя в вакуум и ускоряются электрическим полем в направлении ко второму диноду.