Флуоресценция спектрлері

                                             Жоспар

І. Кіріспе

ІІ.Негізгі бөлім

а) Флуоресценция спектрлері

б) Люминесценттік сапалық және сандық талдау

в) Флуориметр көмегімен  органикалық және бейорганикалық   қосылыстарды талдау және ауа тазалығын бақылау.

ІІІ.Қорытынды

ІV. Пайдаланылған  әдебиеттер

  V .Глоссарий

 Кіріспе.

Люминесценция - сыртқы энергия  көзінің  әсерінен кейбір дененің  жарық шығаруы. Люминесценция кезінде  шыққан жарықтың жиілігі оны қоздырушы  жарық жиілігінен өзгеше. Люминесценция  құбылысын жарықтың шашырауы, шағылуы  және денелердің термодинамикалық  тепе - теңдік күйіндегі жылулық  сәуле шығаруы тәрізді құбылыстардан  ажырата білу керек. Қыздырғандағы  жарық шығарудан  бұл бөлек, мұнда  жылуды шығаратын жүйе энергиясы  пайдаланылмайды. Сондықтан да оны  «салқын жарық» деп те атайды. Люминеcценция электрон қоздырылған күйінен негізгі  күйге ауысқанда пайда болады. Люминеценциялаушы  кез -  келген агрегат күйде болуы мүмкін.  Люминесценттік өлшеу әдістері химиялық  және биохимиялық реакциялардың жүруін, кинетикалық зерттеулерді бақылау үшін, заттарды, әсіресе, органикалық қосылыстарды  тазалау, құрамындағы қосалқы қосымшаларды  айқындау,  оның тазалық дәрежесін анықтау үшін жиі пайдаланады. Әдістің ең жоғарғы сезімталдығы заттың болмашы дәрежедегі түрленуін де, аралық жоғары активті немесе  тұрақты емес өнімдердің  түзілуінде де белгілей отырып, оны әр түрлі реакциялардың механизмін зерттеу қолдануға мүмкіндік береді.     Люминесценцияны қоздыру әдісі бойынша  жіктейді: фотолюминесценция – ультракүлгін және көрінетін  электромагниттік сәуле шығару арқылы қоздыру;катод –люминесценция   - электрон әсерімен туындайды; хемилюминесценция - химиялық реакция энергиясының есебінен жарқырау; рентгенолюминесценция  - рентген сәулесінің әсерінен туындайды.Қоздыруды тоқтатқанда онымен бірге флуоресценция да тоқтайды, ал фосфоресценция болса, белгілі мерзімге дейін тоқтамай, жарқырай береді.   

Флуоресценция спектрлері және фосфориметрия

Әрбір молекуланың өзіне  тән қоздыру және флуоресценция  спектрлері болады.  Молекулалардың қоздыру (абсорбция) спектрлері әсіре  күлгін абсорбциялық спектрге ұқсас. Флуоресценция   - сіңірілген жарықты кері шығаратын  құбылыс, сондықтан, әдетте, флуоресценция  спектрлері  сәйкес қоздыру спектріне  ұқсас әрі ұзын да, үлкен толқынды аймаққа қарай ығысқан сияқты болып келеді.         Флуореценстік спектрді алу үшін спектрофлуориметрлерді қолданады. Олар спектрофотометрге ұқсас болғанымен спектрофлуориметрде орналасқан призма мен тор флуоресценциялану және қоздыру сәуле шығаруға сәйкес  толқын ұзындағын бөлуге мүмкіндік береді. Спектрофлуориметрлерді затты сандық анықтау үшін қолданады. Олардың арасындағы ең қарапайымы  флуориметр және онда қоздырушы (бірінші) сәуле мен флуоресцентті (екінші) сәуле шығаруды бөлу үшін  жарық тұтқыштарын пайдаланады.         Күрделі спектрофлуориметрден гөрі қарапайым флуориметрдің  екі түрлі тәсілмен анықтау жұмысын жүргізуге едәуір мүмкіндігі бар: егер А заты ӘК – сәуле шығаруды В заты сіңірмейтін аймақта сіңіретін болса,  онда қоздырушы сәуле  щығаруды өткізетін призманы, яғни бірінші жарық тұтқышты  тек фотоэлементпен өлшенетін, флуоресуентті сәуле шығаруды ғана беретін  А молекуласы қозатындай  жағдай жасайтын етіп  таңдайды; егер А  мен В  заттары бірдей спектрлік  аймаұта  жарықты сіңіргенімен, флуоресцентті  сәуле шығару толқын ұзындағы бойынша айырмашылыөтары болса, онда фотоэлементке түсетін флуоресцентті сәуле шығарудың толқын ұзындығын анықтайтын екінші ретті жарық тұтқышты пайдаланып және призманың қалпын таңдай отырып, тек А молекуласының ғана флуоресценциясын тіркейтіндей етіп флуориметрді реттейді.   

 Фосфориметрия процесі  флуориметриядан мерзім ұзақтығымен  (10-310-2 С) және биіктіктің ұзын  толқынды аймаққа ығысуымен ерекшеленеді. Фосфоресценция процесі VIII ауысу  бойынша жүреді. Энергияны шығындай отырып, өзімен тең түсетін кез келген механизм бойынша жүзеге асуы мүмкін. Оттегі фосфоресценцияны сөндіруге бейім де қабілетті болғандықтан, оны астаудан мұқият аластатады. Энергияның шығыны молекулалардың соқтығысуы кезінде болуы мүмкін. Мұндайда молекулалардың активтігін не еріткіштің тұтқырлығын жоғарылату, не сұйық азот температурасына дейін салқындату арқылы төмендетуге болады. Қалыпты жағдайдағы фосфоресценцияны әйтеуір бір сорбентке абсорбцияланған немесе сүзу кағазындағы үлгіден байқауға болады. Сол сияқты бетті активті заттарды (БАЗ) пайдалану кезінде де форесценцияны тіркеуге болады. Талданатын атомды коршаған кеңістікке салмағы едәуір ауыр атомды енгізе отырып, S1 —> Т1 және T1—>S0 сияқты аралық қиындастыру жылдамдығын арттыруға болады және бұл жағдай фосфоресцендияның айқын көрінетін спектрін алуға мүмкіндік береді, мысалы, метил йодидін қосу арқылы. Фосфоресценциялаушы қосылыстар болса, ол шартты түрде флуоресценциялайды да, фосфориметр жарқыраудың осы екі түрін де айыра білуі керек. Мысалы, ол үшін айналмалы үзгішті (фосфоркопты) қолданып, қоздырылған және көрініп-байқалатын жаркыраудың арасын бөліп, үзуді қамтамасыз етеді. Бұл жай фосфориметрлердін кұрылымына негіз болып енген. Айналмалы үзгішті бір мезгілде жұмыс істейтін электронды схемамен жапғасқан импульсті шамнан берілетін импульсті жарық еткішпен ауыстырады. Содан кейін оның көмегімен берілген уақыт аралығында фотокөбейткіш іске косылады. Түйіскен π-электрондық байланыстары бар көптеген органикалық косылыстар фосфоресциялауға қабілетті және мұны оларды анықтау үшін пайдаланады. Анықтау уақытына орай қосымша техникалық мүмкіндіктер туындайды. Әр түрлі заттардың сөну мерзімдерінде үлкен айырма болғанда оларды осы уақыты бойынша жеке бөліп анықтайды.

Флуориметрия

      Флуориметрия  – бұл сыналатын заттың флюресценциясы  қарқындылығын сәйкес стандарттық  үлгінің флюресценциясы қарқындылығымен салыстыра өлшеуге негізделген әдіс.  Сыналатын затты жеке бапта көрсетілген    еріткіште немесе еріткіштер қоспасында ерітеді. Алынған ерітіндіні флуориметрдің кюветасына ауыстырады және оған жеке баптағы нұсқауларға сәйкес, толқын ұзындығы монохроматты сәулеге жақын қоздырғыш сәулемен әсер етеді Люминисценттік сәуленің қарқындылығын қоздырғыш сәулеге қатысты 90⁰ бұрышпен, ол флуоресценцияның толқын ұзындығында сәулені өткізетін сүзгіден өткеннен кейін өлшейді. Бірдей нәтижелер алуға мүмкіндік беретін басқа типті құралдарды пайдалануға рұқсат етіледі.Сандық анықтау үшін алдымен құралдың шкаласында пайдаланылатын еріткіш немесе еріткіштер қоспасы бойынша, ал сосын стандарттық ерітінді бойынша нөлдік мәнді орнатады – шкаланың көрсетулері 50-ден артық. Егер шкаланың көрсетулерін орнату кезінде саңылаудың ені өзгеріп кетсе, онда қайтадан нөлдік орнату керек және қайтадан стандарттық ерітіндінің сәулелену қарқындылығын өлшеу керек. Сосын сыналатын ерітіндісі бар кюветаны құралға орналастырады және оның көрсетулерін жазып алады. Сыналатын ерітіндінің концентрациясын( С_х)мына формула бойынша есептейді:

                                        C_x = I_x * C_s / I_s

Мұндағы, С_s – стандартты ерітінді концентрациясы;

I_s – стандарттық ерітінді флуорисценциясының қарқындылығы;

I_x – сыналатын ерітінді флуорисценциясының қарқындылығы;

    Флуорисценция  қарқындылығының концентрациядан  тура пропорционалдық тәуелділігі  болмаған жағдайда, калибрлік қисық  бойынша анықтауға рұқсат етіледі.  Кейбір жағдайда өлшеу белгілі  сандарттық үлгілер бойынша жүргізілуі  мүмкін ( мысалы флуорисценциялаушы  шыны немесе басқа флуорисценциялаушы  заттың ерітіндісі ).Мұндай жағдайларда  сыналатын заттың концентрациясы  алдын ала дәл сондай жағдайларда  алынған калибрлік қисықты пайдалану  арқылы анықталуы тиіс 

Рибофлавин

Жалпы формуласы С₁₇Н₂₀N₄O₆

Қасиеттер. Рибофлавинде сусыз затқа есептегенде 97,0% дан кем емес және 103,0%дан артық емес 7,8-диметил – 10-[(2S, 3S, 4R)-2,3,4,5-тетрагидроксипентил ]бензоптиридин – 2,4(3Н,10Н) – дион болады.

Сипаттама. Сары немесе қызыл– сары түсті кристалды ұнтақ.

Ерігіштік. Суда аз ериді, 96% спиртте іс жүзінде ерімейді.

Ерітінділері жарықтың әсерінен, әсіресе сілтілік металдар гидроксидтері  қатысында, ыдырайды.

Полиморфизм байқалады.

Идентификация

1. Субстанция " сынаулар "  бөлімінде көрсетілген меншікті оптикалық айналудың талаптарына сәйкес болуы тиіс.
2. " Люмифлавин " сынауында алынған сыналатын ерітінді хроматограммасында салыстыру ерітіндісі хроматограммасындағы негізгі дақ деңгейінде оған өлшемі бойынша сәйкес келетін негізгі дақ байқалуы тиіс.
3. Шамамен 1 мг субстанцияны 100 мл суда ерітеді. Алынған ерітінді өтетін жарықта бозғылт – жасылдау – сары түсті болады, ерітіндіде шағылған сәуледе минералды қышқылдар немесе сілтілк металдардың гидроксидтерін қосқанда жойылатын, қарқынды сарғыш – жасыл флуорисценция байқалады.

Меншікті оптикалық  айналу

Құрғақ затқа есептегенде 115-тен 135-ке дейін.50,0 мг субстанцияны, карбонаттардан таза, 0,05М натрий гидроксиді ерітіндісінде  ерітеді және ерітіндінің көлемін  сол еріткішпен 10,0 мл-ге дейін жеткізеді. Алынған ерітіндінің оптикалық  айналуын ерігеннен бастап 30 минуттан артық емес уақыт ішінде өлшейді.

Оптикалық тығыздық." Сандық анықтау " бөлімінде дайындалған ерітіндіні судың сондай көлемімен суытады. Алынған ерітіндінің ультракүлгін жұтылу спектрінде 223 нм, 267нм, 373 нм және 444нм толқын ұзындығында 4 максимум болады.

373нм толқын ұзындығы  максимумындағы оптикалық тығыздықтың  267нм толқын ұзындығындағы жұтылудың  оптикалық тығыздығына қатынасы 0,31-ден 0,33-ке дейін болуы тиіс, ал 44нм толқын ұзындығы максимумдағы  оптикалық тығыздықтың 267нм толқын  ұзындығы максимумдағы оптикалық  тығыздыққа қатынасы 0,36-дан 0,39-ға  дейін болуы тиіс.

Хинин

 Хинин хина ағашының  қабығында болатын, 1920 жылы алынған  алколоид. Ол 170⁰С балқып, суда аз еритін түссіз зат. Оның тұзының дәмі өте ащы, ерітінділерінің  күшті көк  флуорисценциясы бар. Оның құрылымы 1941 жылы толық синтездеу арқылы тиянақты анықталды.

 Хинин молекуласында  әртүрлі 2-гетероциклді жүйе болады: хинолинді ядро және хинуклидинді  ядро. Оның құрамында төрт көміртектің  ассиметриялық атомы бар. Хинин  безгек ауруын жұқтыратын маса  сияқты жәндіктерге улы әсер  етеді. 

Люминесценттік  сапалық және сандық талдау

Люминесценттік сапалық  талдау көптеген органикалық заттардың, яғни олардың ерітінділеріне кейбір органикалық реагенттерін қосу арқылы жоғарғы сезімталдылықпен анықтауға  мүмкіндік береді. Мысалы, мырыш  тұзының ерітіндісіне салицил қышқылын қосқанда интенсивті люминесценция  туындайды және мұны талданатын өнімдегі мырышты ерітіндіден сапалы тұрғыда  айқындау үшін пайдаланады.     Литий мен алюминийді 8-оксихинолиннің көмегімен, берилий, цирконий және басқа элементтерді мориннің көмегімен табады. Люминесцентті сапалық талдауда сөну құбылысын да пайдаланады. Әдетте, люминесценцияның пайда болуы мен аяқталуын көріп бақылайды. Люминесциялық реакциянын басты артықшылыгы - олардың жоғарғы сезімталдылығы. Мысалы, мысты 0,005 мкг/концентрация кезіндегі салицилалазиннің көмегімен көк түсті люминесценция бойынша ашады. Люминесценциялауға қабілетті күрделі анорганикапық кристалдар деп аталатын кристалл - фосфорлардың айқындау шегі төмен, таңдаушылық қабілеті жоғары болады. Бұған люминесценциялауға қабілетті кальций мен стронцийдін немесе олардың коспасынан түзілген сульфидтер, кальций сульфатынан не вольфраматынан, натрий бромидінен не иодидінен және баска косылыстар негізінде әзірленген кристалдар мысал. Ал, кейбір анорганикалық косылыс торына оны белсенді ететін затты енгізіп, әзірленген кристал да люминесценциялайтын болады.Температураны жоғарылатқанда  кристалл-фосфордың құрамындағы жарқырауға күшті кері ықпал ететін болмашы мөлшердегі қоспалар олардың жарқырауын төмендетеді. Алайда кейбір жағдайларда белгілі концентрациялық катыста люминесценттік улар люминесценцияның активтеушілері болады. Осыған орай кристалл-фосфордың жарқырау интенсивтігінін ондағы люминесценциялаушы концентрациясына тәуелділігі сандық талдауда пайдаланады. Люминесценттік сапалық талдаудың зиянды ісік, безгек сияқты ауру түрін анықтауда, кейбір дәрі-дәрмектердін сапасын, биологиялық активті заттар - витаминдерді, антибиотиктерді және т.б. бақылауда маңызы ерекше. Егілетін тұқымның сапасы мен ену қабілеті сары түсті люминесценциялық жарық бойынша тұжырымдалады. Люминесценция тамақ өнеркәсібінде пайдаланылады. Оның түсі бойынша ұнның сорты анықталады. Неғұрлым кебек көп болса, соғұрлым оның жарқырау интенсивтігі күшті. Жеміс-жидек және көкөніс сияқтылардағы шіру құбылысын да, олардың басталуын да люминесценция көмегімен анықтайды.     

Сандық люминесценттік талдау әдістерінде люминесценциялық сәуле  шығару интенсивтігінін талданатын құрамдас бөлік концентрациясына тәуелділігі  пайдаланылады. Қолданбалық жағдайда градуирлеу графигі әдісі жиі  қолданады. Массасы бойынша есептегенде  қазіргі кезде орташа концентрациясы 0,00001 процент шамасында болатын барлық элементтердің сандық анықтау әдістері жасалған. Титриметрия әдістерінде реагент қасиеті ерітіндінің рН-на, тотықтырғыш пен тотықсыздандырғыштың болуы не болмауына қарай люминесценттік интенсивтігі мен жарқырау түсін өзгерте алатын люминесценттік индикаторды пайдаланады. Мысалы, осындай сипаттағы моринді пайдаланып, алюминий, галлий, цирконий сияқты басқа да элементтер 5-10% қателікпен титриметрлік анықталады. Мысты, басқа да екі валентті катиондар қатынасқан ерітіндіні флуорексонмен титрлеп анықтайды.  

Индикаторлардың бір қатары кестеде жинақталған. Оларды пайдаланып, аса күрделі аналитикалық мәселелерді  шешеді, мысалы тағамдық өнімдерді, жеміс-жидектер шырындарын, сусындар мен шараптарды талдап, сапасын анықтайды. Бұрын  да айтылғандай, талданатын үлгіні салқындатқан кезде люминесценттік интенсивтік  едәуір артады. Мысалы, қорғасын, висмут, сурьма сияқтылардың галогенидті кешенді  қосылыстары қоспа ретіндегі  үлгіні салқындатып, олардың сандық мөлшерін анықтау мүмкін болады. Сондай-ақ, салқындатылған, құрамында анорганикалық  иондары бар үлгілерге органикалық  заттарды қосып, олардың люминесценттік сандық анықтауын жүргізеді. Фосфордың  және басқа да заттардың люминесценциясы  бойынша ИҚ-, ӘК-, көрінетін, рентген  және ү-сәуле шығаруды айкындауға протондар, нейтрондар, электрондар, α - бөлшек ағымын тіркеуге болады. Сол сияқты, бұл әдіс бойынша түрлі қыш, керамика және шыныдан әзірленген заттардың сапасын анықтап, оларды таңбалайды. Люминесценция әдістері лантаноидтар мен актиноидтарды талдауда жемісті пайдаланылады. Көптеген органикалық қосылыстардың, атап айтқанда: бензол мен нафталиннің және олардың көптеген туындылары мен қабысқан қосылыстарының, биологиялық активті заттардың, пигменттердің және т.б. люминесцентті қабілетті болады. Демек, люминесценттік талдау әдісінің жоғарғы сезімталдығы мен қарапайымдылығына, жабдықтау жеңілдігі мен қаркынына қарап, оның болашағын бағдарлауға болады.

Флуориметр көмегімен  органикалық және анорганикалыққосылыстарды  талдау және ауа тазалығын бақылау.

Флуоресценцияны тиімді пайдаланатын саланың ірі-органикалық косылыстар құрамында басымдау кездесетін ароматты көмір- сутектерді, мысалы антрацен мен  фенантрен қоспаларын талдау. Антраценді бірінші әдіс бойынша (оның сәуле  шығару қозуының жолақшасы 360 нм-ден  жоғары) фенантренді екінші әдіс бойынша  анықтайды. Фенантрен мен антрацен 265 нм аймақта сәуле шығаруды интенсивті сіңіреді, ал 350 нм флуоресценттік сәуле  шығаруды тек фенантрен ғана шашыратады. Сондықтан, антрацен мен фенантренді 265 нм тұсында қоздырып алады да, флуориметр көмегімен 350 нм флуоресценцияны  өлшеп, фенантренді анықтайды. Ароматты көмірсутекті қосылыстармен ауа  ыластыгын тексеру үшін сезімталдығы жоғары флуоресценттік әдісті қолдану  тиімді. Көптеген ароматты көмірсутектер - канцерогенді, олар катерлі ісіктің  пайда болуына себепші болады, мысалы, 3,4-бензпирен. Бұл қосылыстың ауадағы өте аз, іздік сияқты мөлшерін анықтаудың әдісі енгізілген. Ол үшін, осы қосылыс күкірт қышқылына  енгізілсе, не сол қышқыл арқылы өтсе, катион түріне айналып, басқа ароматты интенсивті қосылыстардан окшауланады. Ерітіндідегі мұндай катион 520 нм болғанда интенсивті сіңіру жолақшасын береді. Мұнымен қатар талдау жағдайында кейбір ароматты қосылыстарда нақ осы  жолақша 520 нм болғанда белгі беретіні бар, бірақ бұлардың біреуі де 545 нм болғанда флуоресцентті сәуле шығармайды. Сондықтан құрамында анықталатын  бензпиренді үлгіні әуелі толқын ұзындығы 520 нм сәуле шығару кезінде  қоздырып алады да, сосын оның 545 нм болғанда флуоресценттік сәуле шығару интенсивтігін флуориметрмен өлшейді.    Флуоресценттік сәуле шығаратын анорганикалық қосылыстардың саны бірен-саран. Сондай иондардын бірі және осы негізде толығымен дерлік сандық  тұрғыдан флуоресценттік әдіс бойынша анықталатын уран (VI). Уранның флуоресценциясын қалыпты жағдайдагы фосфор қышқылының он проценттік ерітіндісінде немесе натрий фторидінің балқымасында байқауға болады. Оны құрғақ мұзға енгізілген метан мен күшті қышқыл қоспасында да көру мүмкін. Натрий фторидінің балқымасындағы уран (VI) 365 нм болғанда қоздырылады, ал флурресцентті сәуле шығару 536, 555, 557 және 606 нм болғанда өзінін ең үлкен мәніне жетеді. Көптеген анорганикалық иондар қанықпаған байланысты органикалық қосылыспен әрекеттесіп, флуоресценттік сәуле шығаруға бейім кешенді қосылыс түсуге қабілетті. Мысалы, 8-оксихинолин- мен, моринмен, ацети-лацетонмен және т.б. Осы немесе осы сияқтыларды пайдалана отырып, алюминий, мырыш, галий, талий және басқа да катиондарды анықтайды.   

                                                  Қорытынды

Флуориметрия әдісінің спектрофотометриядан артықшылығы - едәуір сезімталдылығы. Өйткені бұл әдісте басқалардан  гөрі заттың тұрақты концентрациядағы флуоресценция интенсивтілігінің  едәуір жоғары мәнін алу үшін одан да жоғары интенсивтілігі бар қоздырылған  сәуле шығаруды пайдалануға болады. Атап айтқанда, спектрофотометрия 10-5 М-ге дейінгі затты, ал флуориметрлік  әдіс 10-8 М-ге дейінгі затты анықтауға  мүмкіндік береді. Мұндай жоғарғы  сезімталдықка жету үшін. әрине, онда қолданатын ыдыс, реактив т.б. өзі  өте таза болуы керек.

Пайдаланылған әдебиеттер

1. Құлажанов Қ.С.«Аналитикалық химия»  II томдық оқулық .

 II - том. Оқулық. Алматы:«ЭВЕРО» баспаханасы, 2005

2. Қазақстан Республикасының Мемлекеттік Фармокапеясы

Алматы. «Жібек жолы» баспа  үйі, 2008

3. О.М.Петрухина«Практикум по физико - химическим методам анализа»

Москва, 1986

Глоссарий

• Люминесценция - сыртқы энергия көзінің әсерінен кейбір дененің жарық шығаруы.
• Фотолюминесценция – ультракүлгін және көрінетін  электромагнит-тік  сәуле шығару арқылы қоздыру.
• Катод - люминесценция  – электрон   әсерімен  туындайды.
• Хемилюминесценция - химиялық реакция энергиясының есебінен жарқырау.
• Рентгенолюминесценция  - рентген сәулесінің әсерінен туындайды.
• Флуоресценция – сіңірілген    жарықты  кері  шығаратын  құбылыс, сондықтан, әдетте, флуоресценция спектрлері  сәйкес қоздыру спектріне ұқсас әрі ұзын да, үлкен толқынды аймаққа қарай ығысқан сияқты болып келеді.
• Флуориметрия – бұл сыналатын заттың флюресценциясы қарқындылығын сәйкес стандарттық үлгінің флюресценциясы қарқындылығымен салыстыра өлшеуге негізделген әдіс.