Флуоресценция

Материал из свободной русской энциклопедии «Традиция»
(перенаправлено с «Флюоресценция»)
Перейти к: навигация, поиск
Icons-mini-icon 2main.png Основная статья: Люминесценция
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.[1]
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[править]

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

Теоретические основы[править]

Stokes shift rus.png

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[править]

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.[2]

Схематическое изображение процессов испускания и поглощения света. Диаграмма Яблонского[править]

Схематически процессы поглощения света и флуоресценции показывают на диаграмме Яблонского.

Jablonski diagram rus.png

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[править]

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[3], где \(~{\Gamma}\) и \(~k_{nr}\) — константы скорости излучательной и безызлучательной дезактивации возбужденного состояния.

Simple two level diagram.JPG

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[править]

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[править]

Применение[править]

В источниках света[править]

Icons-mini-icon 2main.png Основная статья: Люминесцентная лампа

В методах исследования[править]

Icons-mini-icon 2main.png Основная статья: Флуоресцентный микроскоп
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[править]

Icons-mini-icon 2main.png Основная статья: Лазер на красителях

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

Флуоресцирующие вещества как индикаторы[править]

Флуоресцеин был применен в 1877 для доказательства того, что реки Дануба и Рейн соединены подземными каналами. [4]. 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[править]

Применение флуоресценции[править]

Литература[править]

Англоязычная[править]

  • 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.

Примечания[править]

  1. http://bse2.ru/book_view.jsp?idn=030284&page=30&format=html
  2. Стоксов сдвиг в растворах и газах. Независимость спектра испускания от длины волны поглощения. Правило зеркальной симметрии и исключения из него.
  3. Joseph R. Lakowicz. Principles of Fluorescence Spectroscopy / R. J. Lakowicz. -N.Y.: Springer Science, 2006. — 960 p.
  4. Berlman IB. 1971. Handbook of fluorescence spectra of aromatic molecules, 2nd ed. Academic Press, New York.

Внешние ссылки[править]


На русском языке[править]

На иностранных языках[править]

Сноски[править]


Люминесценция и флуоресценция в природе[править]

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