Люминесценция. Люминесценция түрлері және оның медицинада қолданылуы

С.Ж Асфендияров  атындағы Қазақ Ұлттық Медицина Университитеті

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

    Тақырыбы: Люминесценция. Люминесценция түрлері және оның медицинада қолданылуы

 

 

                                                                   

 

                                                                      

 

 

 

 

        Люминесценция – деп молекулалардың, атомдардың, иондардың және де басқа күрделі комплекстердің қозған күйден бейтарап күйге өтер кездегі жарық шығаруын айтады. Атомдардың және молекулалардың жылулық қозғалысы нәтижесінде денелердің жарық шығаруын люминесценциямен шатастыруға болмайды. Жарықтың шағылуы, шашырауы, Вавилов – Черенков эффектісі және денелердің басқа да жарық шығаруы люминесценцияға жатпайды. Солтүстік жарқыл кейбір жәндіктердің, минералдардың, шіріген ағаштардың жарқырауы табиғатта кездесетін люминесценция құбылысына жатады. Люминесценция құбылысы ХІХ ғасырдан бастап зерттеле бастады. Әр түрлі заттардың жарқырауын зерттей жүріп К. Рентген өзінің атымен аталатын сәулелерді ашқан болса, Беккерель радиоактивтік құбылысын ашты. Люминесценцияның негізгі заңдарын ашуда С.И. Вавилов бастаған ғалымдардың еңбегі аса зор.

       Люминесценцияны  қоздырудың әдістеріне байланысты  олардың бірнеше түрі бар:

       1. Фотолюминесценция. Люминесценцияның бұл түрі көзге көрінетін және ультракүлгін сәулелерінің әсерінен пайда болады. Фотолюминесценцияға мысал ретінде кейбір люминофорлармен боялған сағат циферблатының жарқырауын келтірсек те жетеді.

       2. Рентгенолюминесценция рентген сәулелерінің әсерінен пайда болады. Оны рентген аппаратының экранынан бақылауға мүмкіндік бар.

       3. Радиолюминесценция деп заттардың (люминафорлардың) α, β және γ сәулелерінің әсерінен жарқырауын айтады. Люминесценция бұл түрі сцинтилляциялық есептеуіштердің (счетчиктердің) экрандарында пайда болады.

       4. Катодлюминесценция электрондық сәулемен шығарылады. Оны телевизордың, осциллографтың және т.б. электрон сәулелік құралдардың экранынан бақылауға мүмкіндік бар.

       5. Электролюминесценция электрөрісінің көмегімен шығарылады. Оны газ разрядты түтіктерде байқауға болады.

      6. Хемилюминесценция заттардағы химиялық процестердің нәтижесінде пайда болатын құбылыс. Оған мысалға ақ фосфордың, шіріген ағаштың және кейбір жәндіктердің, өзен жануарларының жарқырауын келтірсек те жеткілікті.

       7. Сонолюминесценция құбылысы кейбір сұйықтардың ерітінділерінен ультрадыбыс толқындары өткенде пайда болады.

       Жарқырауының  ұзақтығына қарап люминесценцияны  флуоресценция (тез өшіп қалатын  люминесценция) және фосфоесценция  (ұзақ жарқырайтын люминесценция)  деп екіге бөлінеді. Люминесценцияны  бұлай бөлу тек шартты түрде ғана болып есептеледі. Өйткені ол екеуінің арасында белгілі бір меже қою қиын. Люминесценцияны классификациялаудың ең дұрыс жолын ұсынған Вавилов. Ол люминесценцияны резонанстық, спонтанды (өздігінен), еріксіз (метастабильді) және рекомбинациялық люминесценциялық процестер деп классфикациялады.

       Резонанстық  люминесценцияны көбінесе резонанстық  флуоресценция деп атайды. Резонанстық флуоренценцияда флуоренценцияның толқын ұзындығы өзін пайда қылатын жарық толқынының ұзындығымен бірдей болады. Егер атомдар (молекулалар) негізгі энергетикалық күйден қозған күйге өтсе немесе бір қозған күйден екінші қозған күге өтсе, онда резонанстық люминесценция байқалады. Резонанстық люминесценция газдарда, сұйықтарда және қатты денелерде байқалады. Әсіресе резонанстық люминесценцияны сиретілген атом буларында жақсы байқауға болады.

       Кейбір  молекулалар ұзақ жарқырайды. Бұл  электрондардың метастибильді деңгейге  келіп түсуінен пайда болатын  құбылыс. Метастабильді деңгейлер  қозған күй деңгейлерінен төмендеу  оргаласады. Метастабильді деңгейлер  үстіңгі жақтардан толтырылып  отырады. Бұл жағдайда көптеген  молекулалар әдеттегі қозған  күйден метастабильді деңгейге  келіп орналасады. Бұл кезде ол  молекулалар өзінің энергиясының  біразынан айырылып қалады.

       Молекулалар  метастибильді күйде  секундтен бүтін секундке дейін тұра алады. Осы уақыт ішінде молекулалардың өте жай жарқырауы байқалады.

       Рекомбинациялық  люминесценция қоздырушы энергияның  әсерінен бөлініп кеткен бөлшектердің  өзара бірігуі (рекомбинация) нәтижесінде  пайда болатын құбылыс. Газдарда  радикалдардың немесе иондардың  бірігуі нәтижесінде қозған молекулалар  пайда болады. Осы қозған молекулалар  негізгі күйге өткенде люминесценция  туындайды. Рекомбинациялық люминесценция  кристиллофосфорларда және шала  өткізгіштерде (германий, кремний)  байқалады.

       Люминесценция  поляризация күйімен және спектрмен  сипатталады. Люминесценция спектрі  және оған әсер ететін факторлар  спектроскопия бөлімінде зерттеледі. Көбінесе люминесценцияның интенсивтілігінің  орнына шығарылған энергияның  қоздырушы (жұтылған) энергияға   қатынасы алынады. Бұл шаманы  люминесценция шығымы деп атайды. Стационар, яғни тұрақты жағдайда  люминесценция шығымы шығарылатын  және жұтылатын қуаттардың қатынасымен  анықталады.Фотолюминесценцияның кезіндеквант деп аталатын ұғым енгізіледі де, шығым спектрі қарастырылады. Басқаша айтқанда, шығымының қоздырғыш жарықтың жиілігіне байланылыстығы қарастырылады. Вавилов  заңы мен Стокс ережесін қараңыз. Сондақ-ақ люминесценция поляризациясы поляризациялық диаграммалырмен сипатталады (поляризациялық люминесценцияны қараңыз).

        Люминесценция  кинетикасы, яғни жарқыраудың уақытқа  байланыстылығы, шығарудың интенсивтігінің  қоздыру интенсивтігіне байланыстығы және люминесценцияның басқа факторларға (мысалы температураға) байланыстылығы люминесценцияның маңызды сипаттамалары болып саналады. Қозу тығыздығы аз және қозған атомдардың саны аз болған кезде резонанстық люминесценцияның өшу кинетикасы экспоненциальдық сипатта болады:

        

                                                   J =

 

 

қозған күйдің орташа өмір сүру ұзақтығын көрсететін уақыт t –жарқырау ұзақтығы.  Қозу тығыздығы артқан сайын өшудің экспоненциалдық заңы дәл орындала бермейді. Резонанстық люминесценцияның квант шығымы 1 – ге жақын болады. Спонтандық люминесценцияның өшу кинетикасы экспоненциалды заңмен сипалталса, рекомбинациялық люминесценцияның кинетикасы өте күрделі болып келеді. Ол рекомбинациясы ықтималдығына, молекулалардың электрондарды қамтуына және оларды босатуына және температураға байланысты болады. Бұл кезде өшу заңы екінші дәрежелі гипербола заңымен анықталады:

 

                                                  J =    

 

Мұндағы Р – тұрақты  сан. Өшудің мұндай заңы өте сирек, ал гиперболалық заңы жиірек кездеседі. Ол Беккерель формуласымен сипатталды:

            

                                                 J = ,     

 

       Люминесценцияның өшу уақытының  секундтан бірнеше сағатқа дейін созылуы мүмкін. Егер сөндіру процесі жүріп жатса, онда люминесценция шығымы және өшу уақыты қысқарады. Сонымен люминесценция шығымы люминесценцияны сөндіру дәрежесіне байланысты. Сондай-ақ люминесценцияны қандай бір болмасын заттың өзіндік қасиеті деп қарастыруға болмайды.

       Люминесценцияның  спектрін, кинетикасын және поляризациясын  зерттеу заттардың энергетикалық  күйінің спектрін, молекулалардың  кеңістік құрылымын, энергия миграциясын  зерттеп білуге үлкен мүмкіндік  туғызады.

      Люминесценцияның  зерттеу үшін оның жарқырауын  тіркейтін спектрофотометрлер деп  аталатын приборлар қолданылады. Кейбір биологиялық объектілердің люминесценциясын зерттеудің нәтижесінде клеткаларда болып жатқан процестерді зерттеп білу мұмкіндік туды. Люминесценциялық жарықтың және люминесценция шығымын ың эжептәуір болуы жарықтың люминесценттік көздерін жасуға мүмкіндік берді (люминесценттік шам). Ядролық физикада радиолюминесценция кеңінен падаланылады (люминесценттік камера, сцентилляциялық счетчиктер). Люминесценттік бояулармен жол бойына қойылатын белгілерді, маталарды бояйды. Люминесценттік дефектоскопияда кеңінен қолданылады.