Телевизионная визуализация и обработка изображений люминесцирующих объектов в криминалистике, молекулярной биологии и медицине (стр. 2 )

Глава 1

Люминесценция в криминалистике,
биологии, медицине

1. Виды люминесценции. Основные понятия

Определение и классификация люминесценции. Люминофоры. Особенности и природа люминесценции. Характеристики люминесцирующих веществ. Правило Стокса, Стокса–Ломмеля, Лёвшина. Закон Вавилова. Квантовый и энергетический выходы. Кинетика процесса. Люминесцентный анализ.

Классификация процессов люминесценции и их протекание

Все виды самосвечения, кроме свечения нагретых тел, называют холодным свечением или люминесценцией. Люминесценция является избирательным свойством тел, хотя и весьма распространенным, причем, излучение не может принять равновесный характер в отличие от теплового излучения. Люминесценция прекращается, как только будет израсходована энергия того процесса, который её вызывает. Поэтому говорят, что при люминесценции тело высвечивает фотоны [1].

Люминесценция (от лат. lumen – свет и - escent – слабое действие) – это свечение веществ, избыточное над их тепловым излучением при данной температуре и возбужденное какими-либо источниками энергии. Это излучение может быть вызвано бомбардировкой вещества электронами и другими заряженными частицами, пропусканием через вещество электрического тока, освещением вещества ультрафиолетовым или видимым светом, рентгеновскими и гамма-лучами, а также некоторыми химическими реакциями в веществе (гниение органических веществ, окисление фосфора и т. п.).

Люминесцентное излучение вызывается сравнительно небольшим числом атомов, молекул или ионов, которые после внешнего воздействия переходят в возбужденное состояние. При этом на определенных более высоких уровнях может находиться значительно большее число атомов, чем на нижележащих («инверсная заселённость уровней»). Их последующее возвращение в нормальное или менее возбужденное состояние сопровождается испусканием люминесцентного излучения. Длительность свечения обусловлена длительностью возбужденного состояния, которое, помимо свойств люминесцирующего вещества (люминофора), зависит от окружающей среды. Если возбужденное состояние метастабильно, то время пребывания в нем частицы может достигать 10–4 с, что соответственно увеличивает и длительность люминесценции.

На рис. 1.1 показана схема установки для изучения люминесценции различных веществ.

Рис. 1.1. Общая схема установки

ИВЛ – источник возбуждения люминесценции (для детальных исследований он должен давать монохроматические участки спектра различных длин волн); В – исследуемое вещество; С1 – светофильтр, выделяющий спектр поглощения исследуемого люминесцирующего вещества; С2 – светофильтр, выделяющий спектр люминесценции исследуемого вещества; ПЛ – приемник люминесценции, с помощью которого она регистрируется

Люминофорами являются:

1) пары и газы некоторых элементов (натрий, сера, иод, кислород);

2) соли некоторых веществ и их растворы (большинство неорганических солей не люминесцируют, исключение составляют соединения лантаноидов: цезия, празеодима, неодима и др.);

3) ряд органических веществ (бензол и его производные, нафталин, антрацен и др.; красители: флуоресцеин, родамины и др.);

4) кристаллические неорганические вещества, содержащие в своей структуре (в небольшом количестве) примеси ионов тяжелых металлов (напр., сернистый цинк, в кристаллическую структуру которого введены ионы меди или марганца).

Металлы в твердом и в жидком состоянии не люминесцируют. Некоторые вещества обнаруживают люминесцентные свойства только при определённых условиях (низкие температуры, выбор специального красителя, необходимая концентрация в растворе и т. п.) [2].

Люминесценцию классифицируют:

1)  по природе процессов, вызывающих возбуждения атомов и молекул;

2)  по длительности послесвечения;

3)  по происходящим при возбуждении внутриатомным процессам.

1) Люминесценция под действием света называется фотолюминесценцией, под действием бомбардировки электронами – катодолюминесценцией, под действием электрического поля – электролюминесценцией, под действием химических превращений – хемилюминесценцией.

Фотолюминесценция возбуждается светом видимой или ультрафиолетовой области спектра. Для сложных люминесцирующих веществ (сложные молекулы, конденсированные среды) спектральный состав фотолюминесценции не зависит от длины волны света, вызывающего люминесценцию, и подчиняется правилу Стокса. Наблюдаются линейчатые, полосатые и сплошные спектры фотолюминесценции. Ее характер существенно зависит от агрегатного состояния вещества.

Электролюминесценция в газах вызывается электрическим разрядом, в котором энергия возбуждения сообщается молекулам газа механизмом электронного или ионного удара. Возбужденное состояние при электролюминесценции всегда вызывается прохождением какого-либо тока и связано с наличием электрического поля. Электролюминесценция возникает при развитии газового разряда вокруг объекта, помещенного в переменное электрическое поле высокой напряженности (эффект Кирлиан). В твердых телах электролюминесценция наблюдается, например, на p-n-переходе в полупроводниках.

Хемилюминесценция сопровождает некоторые экзотермические химические реакции. Химические превращения в веществе сопровождаются перестройкой внешних электронных оболочек атомов. Излучение света приводит к образованию химического соединения с более устойчивой в данном окружении и при данных условиях электронной конфигурацией. Хемилюминесценция часто сопровождает процессы окисления с образованием более устойчивых продуктов сгорания (свечение высокотемпературных и низкотемпературных пламен, а также свечение при рекомбинации перекисных радикалов в цепном окислении жидких углеводородов).

2) Люминесценция, прекращающаяся сразу после окончания действия возбудителя свечения называется флуоресценцией; сохраняющаяся длительное время после прекращения действия возбудителя свечения (не менее с, во многих случаях – минуты и даже часы) – фосфоресценцией. Вещества с особенно длительным послесвечением называются фосфорами. Разграничение на флуоресценцию и фосфоресценцию является достаточно условным.

Флуоресценция обусловлена переходами атомов, молекул или ионов из возбужденного состояния в нормальное.

Фосфоресценция обусловлена наличием метастабильных возбужденных состояний атомов и молекул, переход из которых в нормальное состояние затруднен по тем или иным причинам.

3) В зависимости от характера элементарных процессов, приводящих к люминесцентному излучению, различают спонтанные, вынужденные и рекомбинационные процессы люминесценции, а также резонансную флуоресценцию.

При спонтанной люминесценции излучение происходит непосредственно вслед за возбуждением. Под действием внешнего источника вначале происходит возбуждение атомов (молекул или ионов) на промежуточные возбужденные энергетические уровни. Переход с возбуждённого уровня на основной может быть как единым, в этом случае излучение называется резонансным, так и ступенчатым. Далее с этих уровней происходят излучательные, а чаще безизлучательные переходы на уровни, с которых излучается люминесцентное свечение. Такой вид люминесценции наблюдается у сложных молекул в парах и растворах и у примесных центров в твердых телах.

У определённых веществ имеются энергетические уровни, переход с которых на основной путем излучения фотонов имеет малую вероятность, т. е. происходит медленно и постепенно, поэтому возбуждённые атомы могут задерживаться на них достаточно долго. Такие уровни называются метастабильными. В процессе возбуждения на таком уровне может происходить значительное накопление атомов.

Переход с метастабильного уровня на основной может быть ускорен каким-либо энергетическим воздействием на атомы, например, воздействием квантами излучения той же длины волны. Вызванное при этом излучение называется вынужденным (индуцированным, или стимулированным), а само явление – вынужденной люминесценцией. Примером является фосфоресценция органических веществ.

Рекомбинационная люминесценция представляет собой рекомбинационное излучение, возникающее при воссоединении тех частиц, которые были разделены в результате поглощения энергии от источника люминесценции (в газах – радикалы или ионы, в кристаллах – электроны и дырки). Рекомбинационная люминесценция может происходить на дефектных или примесных центрах (центры люминесценции), когда дырки захватываются на основной уровень центра, а электроны – на его возбужденный уровень.

Резонансная флуоресценция наблюдается в парах атомов и состоит в спонтанном высвечивании с того же энергетического уровня, на котором оказался излучающий атом при поглощении. В результате возбуждения резонансной флуоресценции светом происходит резонансное излучение, переходящее в резонансное рассеяние при увеличении плотности паров.

Природа люминесценции

Люминесцентное излучение отличается от других видов излучения следующими характерными особенностями:

1.  Каждое вещество (люминофор) имеет определённый спектр люминесценции (по составу и распределению энергии), который не зависит от спектра поглощённого излучения, вызвавшего люминесценцию. Если возбуждение вещества и последующая люминесценция вызваны бомбардировкой быстрыми частицами (электронами, альфа-частицами), то в исходном веществе возможны химические и структурные изменения и поэтому спектр люминесценции будет определяться не только исходным веществом, но и составом и структурой образующихся новых веществ. Это справедливо и при облучении ультрафиолетовыми, рентгеновскими и гамма-лучами. Спектр люминесцирующего вещества не зависит от способа возбуждения.

2.  Люминесцентное излучение при одной и той же температуре имеет большую спектральную плотность энергетической светимости по сравнению с тепловым излучением, которое всегда добавляется к люминесцентному, но имеет значительно меньшую мощность. Многие люминофоры излучают видимый свет при нормальных и низких температурах, тогда как при таких температурах в тепловом излучении абсолютно черного тела и самих люминофоров эти участки спектра имеют малую мощность. Ввиду этого, одно только наличие видимых участков спектра при невысоких температурах («холодный свет») достаточно для того, чтобы отнести это излучение к люминесценции.