Флуоресценція

Матеріал з Вікіпедії – вільної енциклопедії
Перейти до навігації Перейти до пошуку
Флуоресценція уранового скла в ультрафіолетовому світлі
Тонік при опроміненні видимим (ліворуч) та ультрафіолетовим (праворуч) світлом. Блакитна флуоресценція обумовлена ​​наявністю в напої похідних хініну .

Флуоресценція , або флюоресценція - фізичний процес, різновид люмінесценції . Флуоресценцією зазвичай називають випромінювальний перехід збудженого стану з нижнього синглетного коливального рівня S 1 в основний стан S 0 [ джерело не вказано 1196 днів ] . Загалом флуоресценцією називають дозволений по спину випромінювальний перехід між двома станами однакової мультиплетності : між синглетними рівнями або триплетними . Типовий час життя такого збудженого стану становить 10 -11 -10 -6 с [1] .

Флуоресценцію слід відрізняти від фосфоресценції — забороненого спиною випромінювального переходу між двома станами різної мультиплетності. Наприклад, радіаційний перехід порушеної триплетного стану T 1 в основний стан S 0. Синглет-триплетні переходи мають квантовомеханічну заборону, тому час життя збудженого стану при фосфоресценції становить близько 10 -3 -10 -2 с [2] .

Походження терміна

Термін "флуоресценція" походить від назви мінералу флюорит , у якого вона вперше була виявлена, і лат. -escent - Суфікс, що означає слабку дію.

Історія вивчення

Вперше флуоресценцію сполук хініну спостерігав фізик Джордж Стокс у 1852 році.

Теоретичні основи

Stokes shift rus.png

Відповідно до уявлень квантової хімії , електрони в атомах розташовані на енергетичних рівнях . Відстань між енергетичними рівнями у молекулі залежить від її будови. При опроміненні речовини світлом можливий перехід електронів між різними енергетичними рівнями. Різниця енергії між енергетичними рівнями та частота коливань поглиненого світла співвідносяться між собою рівнянням (II постулат Бору):

Після поглинання світла частина отриманої системою енергії витрачається внаслідок релаксації . Частина може бути випущена як фотона певної енергії [3] .

Співвідношення спектрів поглинання та флуоресценції

Спектр флуоресценції зрушений щодо спектру поглинання у бік довгих хвиль. Це явище отримало назву « Стоксів зсув ». Його причиною є безвипромінювальні релаксаційні процеси. В результаті частина енергії поглиненого фотона втрачається, а фотон, що випускається, має меншу енергію, і, відповідно, більшу довжину хвилі [4] [5] .

Схематичне зображення процесів випромінювання та поглинання світла. Діаграма Яблонської

Схематично процеси поглинання світла та флуоресценції показують на діаграмі Яблонського.

Jablonski diagram rus.png

За нормальних умов більшість молекул знаходяться в основному електронному стані . При поглинанні світла молекула перетворюється на збуджений стан . При збудженні на вищі електронні та коливальні рівні надлишок енергії швидко витрачається, переводячи флуорофор на нижній коливальний підрівень стану . Однак, існують і винятки: наприклад, флуоресценція азулену може відбуватися як з , так і з стану.

Квантовий вихід флуоресценції

Квантовий вихід флуоресценції показує, з якою ефективністю відбувається цей процес. Він визначається як відношення кількості фотонів, що випускаються і поглинаються. Квантовий вихід флуоресценції може бути розрахований за формулою

де — кількість фотонів, що випускаються в результаті флуоресценції, а — загальна кількість фотонів, що поглинаються. Чим більший квантовий вихід флуорофору , тим інтенсивніша його флуоресценція. Квантовий вихід можна також визначити за допомогою спрощеної діаграми Яблонського [6] , де і - Константи швидкості випромінювальної та безвипромінювальної дезактивації збудженого стану.

Simple two level diagram.JPG

Тоді частка флуорофорів, що повертаються в основний стан із випромінюванням фотона, і, отже, квантовий вихід:

З останньої формули випливає, що якщо , тобто якщо швидкість безвипромінювального переходу значно менша за швидкість випромінювального переходу. Зазначимо, що квантовий вихід завжди менше одиниці через стоксові втрати.

Флуоресцентні сполуки

Флюоресценція в ультрафіолетовому світлі 0,0001 % водних розчинів: блакитним – хініну, зеленим – флуоресцеїну, помаранчевим – родаміну-B, жовтим – родаміну-6G

До флуоресценції здатні багато органічних речовин, які зазвичай містять систему сполучених π-зв'язків. Найбільш відомими є хінін , метиловий зелений, металевий синій, феноловий червоний, кристалічний фіолетовий, діамантовий синій крізоловий, POPOP, флуоресцеїн , еозин , акридиновим барвники (акридіновий помаранчевий, акридіновий жовтий), родамін (родамін 6G, родамін B), нільський червоний і багато інші.

Застосування

У виробництві фарб та забарвленні текстилю

Флуоресцентні пігменти додаються в фарби ,фломастери , а також при фарбуванні текстильних виробів, предметів побуту, прикрас тощо для отримання особливо яскравих («кричучих», «кислотних») кольорів з підвищеним спектральним альбедо в потрібному діапазоні довжин хвиль, що іноді перевищує 100%. Цей ефект досягається за рахунок того, що флуоресцентні пігменти перетворять ультрафіолет, що міститься в природному світлі і в світлі багатьох штучних джерел (а також для жовтих і червоних пігментів, короткохвильову частину видимого спектру) у випромінювання потрібного діапазону, роблячи колір більш інтенсивним. Особливим різновидом флуоресцентних текстильних пігментів є оптична синька , що перетворює ультрафіолет на випромінювання синього кольору, що компенсує природний жовтуватий відтінок тканини , чим досягається ефект білого кольору одягу та постільної білизни . Оптична синька застосовується як при фабричному фарбуванні тканин, так і для освіження кольору при пранні , у пральних порошках . Аналогічні пігменти застосовуються у виробництві багатьох сортів паперу, включаючи папір для повсякденного офісного використання. У ній вміст пігменту із синькою, як правило, найбільший.

Флуоресцентні фарби, у поєднанні з " чорним світлом ", часто використовуються в дизайні дискотек та нічних клубів . Практикується також застосування флуоресцентних пігментів у фарбах для татуювання .

У техніці

У технічні рідини, наприклад антифризи , часто додають флюоресцентні добавки, що полегшують пошук течі з агрегату. В ультрафіолетовому світлі підтікання такої рідини стає дуже добре помітним. [ джерело не вказано 86 днів ] .

У біології та медицині

Флюоресценція (знизу) під ультрафіолетовим освітленням спиртового розчину хлорофілу

У біохімії та молекулярній біології знайшли застосування флуоресцентні зонди та барвники, які використовуються для візуалізації окремих компонентів біологічних систем. Наприклад, еозинофіли (клітини крові ) називаються так тому, що мають спорідненість до еозину , завдяки чому легко піддаються підрахунку при аналізі крові .

Лазери

Флуорофори з високими квантовими виходами та гарною фотостійкістю можуть застосовуватися як компоненти активних середовищ лазерів на барвниках.

У криміналістиці

Окремі флуоресцентні речовини використовуються в оперативно-розшуковій діяльності (для нанесення позначок на гроші, інші предмети в ході документування фактів дачі хабарів та здирництва. Також можуть використовуватися в хімловушках)

У гідрології та екології

Флуоресцеїн був застосований в 1877 році для доказу того, що річки Дунай і Рейн з'єднані підземними каналами. [7] . Барвник внесли у води Дунаю і за кілька годин характерну зелену флуоресценцію виявили в невеликій річці, що впадає в Рейн. Сьогодні флуоресцеїн використовують також як специфічний маркер, який полегшує пошук льотчиків, що потерпіли аварію в океані. Для цього просто розбивається ампула з барвником, який, розчиняючись у воді, утворює добре помітну зелену пляму великого розміру. Також флуорофори можуть використовуватись для аналізу забруднення навколишнього середовища (виявлення витоку нафти (олійних плівок) у морях та океанах).

Див. також

Примітки

  1. http://files.pilotlz.ru/dvd/nano/disk/!n_world/dop_mat/kons_01/02.pdf . Лекція № 2. Основи люмінесценції (продовження). .
  2. Основні поняття та значення у флуоресцентній мікроскопії . stormoff.ru. Дата звернення: 7 січня 2020 року.
  3. Molecular Expressions Microscopy Primer: Specialized Microscopy Techniques - Fluorescence - Basic Concepts in Fluorescence . micro.magnet.fsu.edu. Дата звернення: 7 січня 2020 року.
  4. Стоксів зсув у розчинах та газах. Незалежність спектра випромінювання від довжини хвилі поглинання. Правило дзеркальної симетрії та виключення з нього.
  5. Molecular Expressions: Science, Optics, and You: Light and Color - Sources of Visible Light . micro.magnet.fsu.edu. Дата звернення: 7 січня 2020 року.
  6. Joseph R. Lakowicz. Principles of Fluorescence Spectroscopy/RJ Lakowicz. -NY: Springer Science, 2006. - 960 p.
  7. Berlman IB. 1971. Handbook of fluorescence spectra of aromatic molecules, 2nd ed. Academic Press, Нью-Йорк.

Література

Посилання