Флуоресценция

• См. также Флуоресценция (версия Миг)

Эффект флуоресценции впервые был обнаружен при УФ-освещении фиолетового минерала флюорита (голубое свечение, на фото справа)

Эти флуоресцирующие минералы излучают видимый свет под действием ультрафиолетового излучения

Флуоресце́нция (реже флюоресце́нция, от названия минерала флюорит, у которого впервые был обнаружен эффект свечения, и лат. -escent — суффикс, означающий слабое действие) — физический процесс, кратковременная (t~ 10^-8—10^-9 с) люминесценция.

• Разделение люминесценции на флуоресценцию и фосфоресценцию устарело, приобрело условный смысл, как полуколичественная характеристика длительности люминесценции. По механизму преобразования энергии возбуждения флуоресценция, как правило, является спонтанной люминесценцией, поэтому t определяется временем жизни на возбуждённом уровне.

Напиток - тоник при облучении видимым (слева) и ультрафиолетовым (справа) светом. Голубая флуоресценция обусловлена наличием в растворе производных хинина.

Флуоресценцией обычно называют излучательный переход возбужденного состояния с самого нижнего синглетного колебательного уровня S₁ в основное состояние S₀. В общем случае флуоресценцией называют разрешенный по спину излучательный переход между двумя состояниями одинаковой мультиплетности: между синглетными уровнями $~S_1 \rightarrow S_0$ или триплетными $~T_1 \rightarrow T_0$. Типичное время жизни такого возбужденного состояния составляет 10⁻¹¹−10⁻⁶ с.

Флуоресценцию следует отличать от фосфоресценции — запрещенного по спину излучательного перехода между двумя состояниями разной мультиплетности. Например, излучательный переход возбужденного триплетного состояния T₁ в основное состояние S₀. Синглет-триплетные переходы имеют квантово-механический запрет, поэтому время жизни возбужденного состояния при фосфоресценции составляет порядка 10⁻³−10⁻² с.

История изучения

Впервые флуоресценцию соединений хинина наблюдал физик Джордж Стокс в 1852 году.

Теоретические основы

Согласно представлениям квантовой химии, электроны в атомах расположены на энергетических уровнях. Расстояние между энергетическими уровнями в молекуле зависит от её строения. При облучении вещества светом возможен переход электронов между различными энергетическими уровнями. Разница энергии между энергетическими уровнями и частота колебаний поглощенного света соотносятся между собой уравнением: $$~E_2 - E_1 = h\nu$$ После поглощения света часть полученной системой энергии расходуется в результате релаксации. Часть же может быть испущена в виде фотона определённой энергии.

Соотношение спектров поглощения и флуоресценции

Спектр флуоресценции сдвинут относительно спектра поглощения в сторону длинных волн. Это явление получило название «Стоксов сдвиг». Его причиной являются безызлучательные релаксационные процессы. В результате часть энергии поглощенного фотона теряется, а испускаемый фотон имеет меньшую энергию, и, соответственно, большую длину волны.

Схематическое изображение процессов испускания и поглощения света. Диаграмма Яблонского

Схематически процессы поглощения света и флуоресценции показывают на диаграмме Яблонского.

При нормальных условиях большинство молекул находятся в основном электронном состоянии $~S_0$. При поглощении света молекула переходит в возбужденное состояние $~S_1$. При возбуждении на высшие электронные и колебательные уровни избыток энергии быстро расходуется, переводя флуорофор на самый нижний колебательный подуровень состояния $~S_1$. Однако, существуют и исключения: например, флуоресценция азулена может происходить как из $~S_1$, так и из $~S_2$ состояния.

Квантовый выход флуоресценции

Квантовый выход флуоресценции показывает, с какой эффективностью проходит данный процесс. Он определяется как отношение количества испускаемых и поглощаемых фотонов. Квантовый выход флуоресценции может быть рассчитан по формуле $$\Phi = \frac {N_{em}} {N_{abs}}$$

где $~{N_{em}}$ — количество испускаемых в результате флуоресценции фотонов, а $~{N_{abs}}$ — общее количество поглощаемых фотонов. Чем больше квантовый выход флуорофора, тем интенсивнее его флуоресценция. Квантовый выход можно также определить с помощью упрощенной диаграммы Яблонского, где $~{\Gamma}$ и $~k_{nr}$ — константы скорости излучательной и безызлучательной дезактивации возбужденного состояния.

Тогда доля флуорофоров, возвращающихся в основное состояние с испусканием фотона, и, следовательно, квантовый выход: $$\Phi = \frac {\Gamma} {\Gamma+k_{nr}}$$

Из последней формулы следует, что $~\Phi \rightarrow 1$ если $\frac {k_{nr}} {\Gamma} \rightarrow 0$, то есть если скорость безызлучательного перехода значительно меньше скорости излучательного перехода. Отметим, что квантовый выход всегда меньше единицы из-за стоксовых потерь.

Флуоресцентные соединения

К флуоресценции способны многие органические вещества, как правило содержащие систему сопряженных π-связей. Наиболее известными являются хинин, POPOP, флуоресцеин, акридиновые красители (акридиновый оранжевый, акридиновый желтый), родамины (родамин 6ж, родамин B) и многие другие.

Изменение цвета при замене растворителя

Растворы красителя нильский голубой при освещении дневным светом (фото вверху) и ультрафиолетом (366 нм, внизу).
1. Вода, 2. Метанол, 3. Этанол, 4. Ацетонитрил, 5. Диметилформамид, 6. Ацетон, 7. Этилацетат, 8. Дихлорметан, 9. н-гексан, 10. tert-бутилметиловый эфир, 11. Циклогексан, 12. Толуол.

Применение

В методах исследования

Эндотелиальные клетки в люминесцентном микроскопе. Видны три типа каналов, хорошо различимых благодаря специфической флуоресценции разных веществ

В биохимии и молекулярной биологии нашли применение флуоресцентные зонды и красители, которые используются для визуализации отдельных компонентов биологических систем.

Лазеры

Флуорофоры с высокими квантовыми выходами и хорошей фотостойкостью могут применяться в качестве компонентов активных сред лазеров на красителях.

Флуоресцирующие вещества как индикаторы

Флуоресцеин был применен в 1877 для доказательства того, что реки Дануба и Рейн соединены подземными каналами. . Краситель внесли в воды реки Дануба и спустя несколько часов характерную зелёную флуоресценцию обнаружили в небольшой речке, впадающей в Рейн. Сегодня флуоресцеин используют также как специфический маркер, который облегчает поиск потерпевших крушение летчиков в океане. Для этого просто разбивается ампула с красителем, который растворяясь в воде образует хорошо заметное зелёное пятно большого размера.

Также флуорофоры могут использоваться для анализа загрязнения окружающей среды (обнаружение утечки нефти (масляных пленок) в морях и океанах).

В криминалистике флуоресцирующие вещества используются в оперативно-розыскной деятельности (для нанесения пометок на деньги, иные предметы в ходе документирования фактов дачи взяток и вымогательства. Также могут использоваться в химловушках).

См. также

• Эмиссионный спектр
• Люминесценция
• Люминофоры и Фосфоры
• Фосфоресценция
• Триболюминесценция
• Сонолюминесценция
• Биолюминесценция
• Электрофосфоресценция
• Хемилюминесценция
• Флуориметрия
• Квантовий выход
• Реакции в возбуждённом состоянии
• Эксимер
• Фотолюминесценция
• Рентгенолюминесценция
• Катодолюминесценция

Применение флуоресценции

• Флуоресцентный микроскоп (эпифлуоресцентный микроскоп)

Литература

Англоязычная

• Bernard Valeur. Molecular Fluorescence: Principles and Applications. — Wiley-VCH Verlag GmbH, 2001. — ISBN 3-527-60024-8.
• Joseph R. Lakowicz. Principles of Fluorescence Spectroscopy / R. J. Lakowicz. -N.Y.: Springer Science, 2006. — 960 p.

Внешние ссылки

На иностранных языках

• Fluorophores.org – Datenbank für Fluoreszenzfarbstoffe
• Fluorescence Spectra Viewer
• Fluoreszenz von Mineralien Mineralienatlas
• LP: Natrium-Resonanzfluoreszenz, Georg-August-Universität Göttingen
• Lichtmikroskopie online Universität Wien
• Fluorescence Microscopy Umfangreiches interaktives Tutorial (englisch)
• Basic Principles of Fluorescence Spectroscopy Tutorial auf englisch

Люминесценция и флуоресценция в природе

Многие минералы, а также живые существа способны излучать видимый свет при УФ-возбуждении:

• 

  Флуоресцирующий шампиньон при дневном освещении

• 

  При ультрафиолетовом освещении UV-A (400-315 нм)

• 

  Euscorpius italicus под УФ-лампой

• 

  Под УФ-лампой Адамит флуоресцирует зелёным, а гемиморфит - бледно-голубым светом
• 

  Кальцит и его флуоресценция