При проведении количественных люминесцентных измерений большое значеник закон, установленный выдающимся советским ученым академиком С. И. Вавиловым, согласно которому квантовый выход люминесценции и вид спектра люминесценции данного вещества не зависят от длины возбуждающего света.
Проводить люминесцентный анализ тем легче, чем интенсивнее свечение. Иногда для люминесцентного анализа нужны очень яркие люминофоры, которые дополнительно вводят в исследуемый объект. Где взять эти люминофоры? Обычно их приходится специально синтезировать. При синтезе химики руководствуются соображениями о желательности сопряжения в структуре молекул люминофоров. Ярко светящихся искусственных люминофоров получено великое множество. Помимо интенсивности свечения, к люминофорам обычно предъявляют и другие требования, необходимые для их успешного применения на практике. Это может быть и определенный цвет свечения, и растворимость в различных средах, и свето- и термостойкость, и химическая активность или, наоборот, инертность и т. д.
область применения люминисцентного анализа
Зачем люминесцентный анализ нужен для других областей науки и техники? При помощи люминесцентного метода обнаруживают различные детали и объекты, не видимые при обычном освещении. В палеонтологии, например, люминесцентный анализ необходим для исследования деталей отпечатков доисторических растений и животных, включенных в осадочные породы. Дело в том, что при освещении отпечатков УФ-светом они люминесцируют, а это дает возможность рассмотреть важные дополнительные детали строения изучаемого объекта.
Люминесцентный анализ играет важную роль и в дефектоскопии. Люминесцентная дефектоскопия позволяет обнаружить микротрещины в различных изделиях, которые практически неразличимы другими методами. Ее методика предельно проста: поверхность исследуемой детали обрабатывается раствором люминофора, который заполняет и трещины. Затем люминесцирующий раствор удаляют с поверхности, но в дефектах он остается. Заключенный в дефектах раствор заявляет о себе при освещении детали УФ-светом.
По-видимому, во времена Шерлока Холмса детективы еще не умели извлекать пользу из люминесцентного анализа. А вот современные криминалисты с успехом пользуются явлением люминесценции. Вот лишь несколько примеров. Так, наблюдение люминесценции кожных покровов часто необходимо при экспертизе определения давности повреждений (типа рубцов, шрамов и т. д.). Естественный цвет люминесценции неповрежденной кожи — беловато-серый, а вот кожные рубцы различной давности люминесцируют неодинаково: они выглядят темными, бархатистыми, если с момента травмы прошло 1—2 месяца; люминесценция рубцов давностью 4—6 месяцев имеет беловато-синий оттенок с темным ободком; рубцы давностью более одного года или слабо люминесцируют беловато-синеватым цветом (при отсутствии пигментации кожи), или выглядят более темными (в случае пигментации).
Весьма полезным может быть люминесцентный анализ для исследования огнестрельных повреждений. Практически каждое входное отверстие от пули можно определить по голубоватому свечению следов оружейной смазки. Дело в том, что пуля, проходя через ствол оружия, захватывает некоторое количество смазки и оставляет его на краях отверстия при встрече с препятствием. Если следы смазки растворить в эфире и измерить яркость люминесценции, то можно без труда установить последовательность выстрелов. До сих нор не предложено более убедительного и доступного метода для такой экспертизы.
Помогает люминесценция и при исследовании волос (окраску которых можно определить но характеру свечения их поперечных срезов), и при распознавании застарелых пятен крови. Пятно, предположительно содержащее кровь, обрабатывают концентрированной серной кислотой. Присутствие крови выдает яркое оранжево-красное свечение. Незаменим люминесцентный анализ и в определении срока пребывания костей в земле по различиям в цвете свечения. По цвету свечения могут быть разделены кости погребенных и сожженных трупов.
Если на ручки дверей складских помещений, сейфов незаметно нанести порошок люминофора, то на руках похитителя останутся следы, хорошо видимые в свете УФ-лампы. «Меченому» преступнику остается лишь признать себя виновным.
А вот еще несколько любопытных примеров. Один из простейших приемов люминесцентного анализа — осмотр в УФ-лучах используется для обнаружения фальшивых документов. Именно так чаще всего выявляют следы удаленного текста, следы клея и крахмала на местах перенесенного оттиска печати, незаметные при обычном освещении.
Этот же прием применяется и экспертами, устанавливающими автора картины или следы ее реставрации. Так, исследуя люминесценцию картины «Бурное море», приписываемой кисти И. К. Айвазовского, в 1928 г. обнаружили рядом с его якобы подписью светящиеся линии подписи другого автора, не видимые при обычном освещении. То же и в археологии, где исследование подписей и старинных рукописей в УФ-свете дает возможность читать на них стертые, попорченные места.
Прием люминесцентной метки весьма популярен в среде геологов и гидротехников. Для проектирования морских портов, дамб и речных пристаней важно знать направление и интенсивность перемещения песка в водоеме. Данные об этом получают, используя песок, меченный люминофором. Меченый песок получают при перемешивании обычного песка с суспензией люминофора в водном растворе агар-агара. Затем смесь высушивают, что приводит к закреплению люминесцирующей тонкой пленки на поверхности песчинок. Меченый песок опускают на дно водоема и ждут некоторое время, а затем отбирают пробы грунта. Отбор проб производят в разных местах водоема, так что по числу меченых песчинок легко оценить характер перемещения песчаных массивов.
Менее трудоемко применение водорастворимых люминофоров в гидрогеологии для измерения емкости различных водоемов, определения скорости течений в реках, канализационных трубах и т. д. Люминофоры начали выступать в этой роли намного раньше, чем радиоактивные изотопы, которые сейчас также применяют для подобных целей. Вот один из примеров. В 1960 г. в определенных местах Балтиморской бухты (США) в воду вылили раствор ярко люминесцирующего красителя — родамина В. На борту специального судна был сконструирован нехитрый прибор (флуориметр), регистрирующий люминесценцию воды, взятой за бортом с нужной глубины. Таким образом, двигаясь по заданному маршруту, судно давало непрерывную информацию об изменении содержания люминофора в исследуемой воде. В результате была составлена подробная картина циркуляции воды в Балтиморской бухте.
Трудно представить себе современную аналитическую химию без люминесцентного анализа. С его помощью можно определить около 50 элементов периодической системы Д.И. Менделеева. Люминесцентный анализ применяют и тогда, когда интересующее химика-аналитика соединение не люминесцирует. Необходимо лишь подыскать такой реактив, который, взаимодействуя с исследуемым соединением, образует люминесцирующие продукты. Эта возможность была использована для надежного определения озона в пробах стратосферы (общее количество озона в пробе было ниже 10-7 г). Широкое применение в аналитике нашли люминесцентные индикаторы, изменяющие при титровании в точке эквивалентности цвет или интенсивность свечения титруемого раствора.
ЛЮМИНЕСЦЕНЦИЯ ПРИ КОНТРОЛЕ КАЧЕСТВА ПИЩЕВЫХ ПРОДУКТОВ
1. Продукты животного происхождения.
Но с каких продуктов начать? Существует известное латинское выражение , которое означает «с самого начала». Иногда употребляется и дословный перевод— «от яйца». Воспримем эту рекомендацию буквально, и для начала обратимся к люминесцентному контролю качества куриных яиц.
Еще в 30-х годах был разработан оригинальный метод санитарной оценки свежести яиц без вскрытия скорлупы. Дело в том, что люминесценция содержимого яйца, видимая через скорлупу, меняется с красной на голубую в зависимости от сроков и способов его хранения. Особенно полезным оказался люминесцентный анализ при выявлении яиц, зараженных светящимися бактериями Pseudomonas flourescens (подробнее о люминесценции микроорганизмов будет сказано далее). Пигмент пиовердин, вырабатываемый размножающимися бактериями, люминесцирует настолько ярко, что яичная скорлупа - не преграда для наблюдения его свечения. Подробное исследование поведения этих занятных бактерии показало, что вначале они образуют колонии на внутренней стороне скорлупы, а через 1—8 дней проникают в белок, который также начинает люминесцировать. При люминесценции всего белка бактерии размножаются до гигантской цифры —107-109 в одном грамме.
Но люминесцентный контроль качества продуктов питания начался все-таки не с яиц, а с таких продуктов, как мясо, рыба, жиры и молоко. Именно наблюдением их собственного свечения под действием УФ-света и занимались в своих пионерских работах советские специалисты — энтузиасты люминесцентного метода в санитарии — Р.Я. Гасуль, И.М. Меньшиков и Г.Д. Лесков. Они обнаружили, что цвет и интенсивность собственной люминесценции изменяются при хранении и ухудшении качества пищевых продуктов. Несмотря на некоторое непостоянство результатов (на характер свечения сильно влияли случайные примеси и продукты жизнедеятельности микроорганизмов), первые работы показали перспективность предложенного направления.