Что такое флуоресценция, её принцип возникновения и применение

Флуоресценция, или флюоресценция — это физический процесс излучения кванта света при спонтанном переходе электрона с возбуждённого уровня на основной.

Флуоресценция – это не только красивое на вид явление, но и возможность разнообразного технического применения. В этой статье вы можете узнать самые важные факты о флуоресценции.

Простое объяснение флуоресценции

Если электромагнитное излучение попадает на вещество, то это вещество может поглотить излучение. Также говорят, что вещество было оптически возбуждено. Возможной реакцией материала на это возбуждение является испускание электромагнитного излучения, т.е. света.

Флуоресценция описывает спонтанное испускание света как реакцию на возбуждение светом.

Объекты, в которых возникает флуоресценция, называются флуорофорами. Флуоресценция относится к фотолюминесценции, поскольку возбуждение происходит с помощью фотонов.

Простое объяснение флуоресценции
Рис. 1. Простое объяснение флуоресценции

Принцип флуоресценции

В этом разделе мы более подробно рассмотрим физику, лежащую в основе флуоресценции, и обсудим важные свойства флуоресцентного излучения. Затем мы более подробно рассмотрим Стоксов сдвиг.

Физическое объяснение

Для возникновения флуоресценции вещество должно быть оптически возбуждено. При оптическом возбуждении вещество переходит из состояния с меньшей энергией в состояние с большей энергией. В физике состояние с меньшей энергией обычно предпочтительнее, поэтому вещество через некоторое время переходит обратно в это состояние. Этот переход может, но не обязательно должен, происходить с испусканием фотонов. Если такой излучательный переход происходит очень быстро (примерно за 10-8 секунд), то речь идет о флуоресценции.

Но как можно оптически возбудить вещество? В зависимости от вещества для этого нужно электромагнитное излучение с разной длиной волны. Это связано с тем, что вещество может поглощать электромагнитное излучение только в том случае, если энергия излучения по крайней мере равна разнице энергий между основным состоянием и другим энергетическим уровнем.

Флуоресценция обладает несколькими очень важными свойствами. Прежде всего, она обладает тем свойством, что излучение не зависит от направления (изотропно), т. е. излучается с одинаковой высокой интенсивностью во всех направлениях. Более того, энергетический уровень, с которого происходит переход в основное состояние, всегда является самым низким возбужденным состоянием, независимо от длины волны возбуждающего света. Это наблюдение известно как правило Каши.

Правило Каши — эмпирическое правило в фотохимии, согласно которому для органических молекул в конденсированной фазе (в кристалле, стекле или жидкости, а также в растворе) излучение фотона (люминесценция) всегда происходит с низшего возбуждённого уровня данной мультиплетности. Названо в честь американского спектроскописта и химика Майкла Каши, который предложил это правило в 1950 году.

Википедия

Стоксовский сдвиг

В большинстве случаев испускаемое флуоресцентное излучение имеет большую длину волны, чем возбуждающее излучение. Большая длина волны сопровождается меньшей энергией излучения. Это явление называется сдвигом Стокса (также правилом Стокса). Это свойство может быть вызвано различными причинами.

Одна из возможных причин заключается в том, что и основное состояние, и возбужденное состояние состоят не только из определенного энергетического уровня, но и разделены на несколько так называемых колебательных состояний. При оптическом возбуждении электроны могут переходить в колебательное возбужденное состояние.

Вследствие быстрого безызлучательного распада возбужденные электроны переходят в низшее колебательное состояние возбужденного состояния, при этом энергия излучения при излучательном переходе в основное состояние уменьшается по сравнению с энергией возбуждения. Кроме того, электроны стремятся перейти в высшее колебательное состояние основного состояния, что также снижает энергию излучения, испускаемого при этом.

Стоксовский сдвиг и колебательные состояния
Рис. 2. Стоксовский сдвиг и колебательные состояния

Поскольку энергия электромагнитного излучения косвенно пропорциональна его длине волны, говорят также о красном смещении испускаемого излучения по отношению к возбуждающему свету.

Другой причиной является испускание нескольких фотонов во время перехода в основное состояние. Во флуоресценции переход в основное состояние может происходить в нескольких излучающих частичных переходах, если между основным и возбужденным состоянием существуют другие состояния. Таким образом, испускаемые фотоны имеют более низкую энергию, чем фотон, поглощенный для оптического возбуждения.

Флуоресценция в сравнении с фосфоресценцией

Фотолюминесценцию можно разделить на две категории, флуоресценцию и фосфоресценцию, в зависимости от того, как долго электроны остаются в возбужденном состоянии. Это время пребывания называется временем жизни флуоресценции или временем жизни фосфоресценции и, таким образом, описывает, как долго электрон остается в возбужденном состоянии, прежде чем он перейдет в основное состояние, испустив фотон.

Время жизни для флуоресценции составляет несколько наносекунд ( 10-9 с ), тогда как для фосфоресценции оно обычно колеблется от миллисекунд ( 10-3 ) до секунд, иногда даже до часов.

Поэтому флуоресценция гаснет почти одновременно с окончанием оптического возбуждения. Фосфоресценция, с другой стороны, может длиться от нескольких секунд до нескольких часов после окончания возбуждения, что называется послесвечением.

Флуоресценция в природе

В этом разделе мы рассмотрим, где в природе встречается флуоресценция. Мы рассматриваем его появление в космических лучах, в некоторых минералах и в биологии.

Космическое излучение

Космические лучи вызывают так называемые широкие атмосферные ливни. Одним из методов измерения этих широких атмосферных ливней является использование флуоресценции. Частицы широкого атмосферного ливня взаимодействуют с молекулами азота атмосферы и возбуждают их оптически, в результате чего возникает флуоресценция. Поскольку производимая флуоресценция пропорциональна энергии, рассеиваемой в атмосфере, такие измерения можно использовать для выводов о космическом излучении.

Для справки:

Широкий атмосферный ливень (ШАЛ) — «ливень» вторичных субатомных частиц (преимущественно, электронов), образующийся в результате множественных каскадных реакций в земной атмосфере.

Википедия

Флуоресценция в минералах

Флуоресценция – это причина, по которой некоторые минералы светятся в видимом диапазоне при воздействии ультрафиолетового света. Минералы, демонстрирующие такое поведение, называются флуоресцентными минералами. Эти флуоресцентные минералы имеют в своей структуре частицы, называемые активаторами, которые реагируют на ультрафиолетовый свет, светясь в видимом диапазоне.

В зависимости от минерала и его расположения цвет излучаемого света различен. Это позволяет определить не только, какой это минерал, но даже из какой местности он происходит. Например, если вы заметили, что флуоресценция кальцита в вашей местности зеленая, то вы можете быть уверены, что другой кусок кальцита также будет иметь зеленую флуоресценцию. С другой стороны, если вы получите неизвестный минерал из вашей местности и его флуоресценция будет зеленой, то вы можете с большой уверенностью сказать, что это кальцит.

Флуоресценция в биологии

Флуоресценция может возникать естественным образом в различных организмах. В этом контексте также говорят о биофлуоресценции. К таким существам относятся, например, кошачьи акулы, скорпионы, черепахи, рыбы, попугаи и некоторые земноводные, такие как лягушки.

Применение флуоресценции

В этом разделе мы познакомим вас с некоторыми флуоресцентными веществами и различными техническими применениями.

Флуоресцентные вещества

К флуоресцентным веществам относятся, например:

  • Аллофикоцианин;
  • Берберин;
  • Блестящий сульфафлавин;
  • Хинин;
  • Кумарины, например, 4-метилумбеллиферон;
  • DAPI;
  • 1,3,2-диоксаборины;
  • Epicocconone;
  • Флуоресцеины;
  • Флуоресцентные белки;
  • IAEDANS;
  • Индоцианин зеленый;
  • Диуранат натрия;
  • Нильский синий / Нильский красный;
  • Порфирины (гема, хлорофиллы и т.д.);
  • Quadraine;
  • Родамин;
  • Стильбен;
  • Синтетические флуоресцентные метки или маркеры, такие как ATTO-Dyes (ATTO-TEC GmbH, Siegen), Alexa-Fluor (Molecular Probes, Invitrogen Corp.) и цианины (Cy3, Cy5 и т.д.);
  • TMRM+.

Флуоресцентная спектроскопия

Флуоресцентная спектроскопия относится к методам флуоресценции. Методы флуоресценции – это методы, использующие явление флуоресценции для изучения и анализа образцов. Они являются одними из наиболее широко используемых методов в материаловедении и науке о жизни. Они обладают высокой чувствительностью, неинвазивным характером и подходят для одновременного измерения нескольких образцов, а также для дистанционного зондирования.

Однако все методы флуоресценции имеют проблему сопоставимости между различными измерительными приборами, лабораториями и временем, что обусловлено специфическими для приборов эффектами (старение, различная зависимость оптики от длины волны и т.д.). Устранение этой проблемы требует надежной характеристики устройства и подтверждения эффективности, что может быть достигнуто с помощью стандартов флуоресценции.

Люминесцентные лампы

Люминесцентные лампы работают по двухкомпонентной схеме. Внутри трубки находятся атомы газа. При подаче напряжения внутри этой трубки ускоряются электроны, которые ударяются об атомы газа и возбуждают их. Во время перехода в основное состояние атомы газа испускают фотоны в ультрафиолетовом диапазоне. Эти ультрафиолетовые фотоны ударяются о флуоресцентное покрытие внутри трубки. В этом случае для освещения используется излучение в видимом диапазоне, испускаемое флуоресцентным материалом покрытия.

Список используемой литературы

  1. Лабас Ю. А., Гордеева А. В., Фрадков А. Ф. Флуоресцирующие и цветные белки // Природа, 2003, № 3.
  2. Векшин Н. Л. Флуоресцентная спектроскопия биополимеров. Пущино, Фотон-век, 2009.
  3. Valeur, Bernard, Berberan-Santos, Mario (2012). Molecular Fluorescence: Principles and Applications. Wiley-VCH.