Флуоресценция

Флуоресце́нция, или флюоресценция — люминесцентный процесс, характеризующийся крайне малым временем затухания излучения после отключения источника возбуждения. Флуоресценцией обычно называют излучательный переход возбуждённого состояния с самого нижнего синглетного колебательного уровня S1 в основное состояние S0[1]. В общем случае флуоресценцией называют разрешённый по спину излучательный переход между двумя состояниями одинаковой мультиплетности: между синглетными уровнями . Типичное время жизни такого возбуждённого состояния составляет 10−11−10−6 с[2].

Флуоресценция уранового стекла под воздействием ультрафиолетового излучения
Тоник при облучении в видимо (слева) и ультрафиолетовом (справа) диапазоне. Голубая флуоресценция обусловлена наличием в напитке производных хинина

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

Происхождение термина

править

Термин «флуоресценция» происходит от названия минерала флюорит, у которого она впервые была обнаружена, и лат. -escent — суффикс, означающий слабое действие.

История изучения

править

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

Теоретические основы

править
 

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 поглощённого света соотносятся между собой уравнением (II постулат Бора):

 

После поглощения света часть полученной системой энергии расходуется в результате релаксации. Часть же может быть испущена в виде фотона определённой энергии[4].

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 поглощённого фотона теряется, а испускаемый фотон имеет меньшую энергию, и, соответственно, большую длину волны[5][6].

Схематическое изображение процессов испускания и поглощения света. Диаграмма Яблонского

править

Схематически процессы поглощения света и флуоресценции показывают на диаграмме Яблонского.

 

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

 

где   — количество испускаемых в результате флуоресценции фотонов, а   — общее количество поглощаемых фотонов. Чем больше квантовый выход флуорофора, тем интенсивнее его флуоресценция. Квантовый выход можно также определить с помощью упрощённой диаграммы Яблонского[7], где   и   — константы скорости излучательной и безызлучательной дезактивации возбуждённого состояния.

 

Тогда доля флуорофоров, возвращающихся в основное состояние с испусканием фотона, и, следовательно, квантовый выход:

 

Из последней формулы следует, что   если  , 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
 
Флюоресценция в ультрафиолетовом свете 0,0001 % водных растворов: голубым — хинина, зелёным — флуоресцеина, оранжевым — родамина-B, жёлтым — родамина-6G

К флуоресценции способны многие органические вещества, как правило содержащие систему сопряжённых π-связей. Наиболее известными являются хинин, метиловый зелёный, метиловый синий, феноловый красный, кристаллический фиолетовый, бриллиантовый крезиловый синий, POPOP[англ.], флуоресцеин, эозин, акридиновые красители (акридиновый оранжевый, акридиновый жёлтый), родамины (родамин 6G, родамин B), нильский красный и многие другие.

Применение

править

В производстве красок и окраске текстиля

править
 
Флюоресцирующие элементы одежды в свете фотовспышки с яркими оттенками

Флуоресцентные пигменты добавляются в краски, фломастеры, а также при окраске текстильных изделий, предметов обихода, украшений и т. п. для получения особо ярких («кричащих», «кислотных») цветов с повышенным спектральным альбедо в нужном диапазоне длин волн, иногда превышающим 100 %. Данный эффект достигается за счёт того, что флуоресцентные пигменты преобразуют содержащийся в естественном свете и в свете многих искусственных источников ультрафиолет (а также для жёлтых и красных пигментов, коротковолновую часть видимого спектра) в излучение нужного диапазона, делая цвет более интенсивным. Особой разновидностью флуоресцентных текстильных пигментов является оптическая синька, преобразующая ультрафиолет в излучение синего цвета, компенсирующее естественный желтоватый оттенок ткани, чем достигается эффект белоснежного цвета одежды и постельного белья. Оптическая синька применяется как при фабричной окраске тканей, так и для освежения цвета при стирке, в стиральных порошках. Аналогичные пигменты применяются и в производстве многих сортов бумаги, включая бумагу для повседневного офисного использования. В ней содержание пигмента с синькой, как правило, наибольшее.

Флуоресцентные краски, в сочетании с «чёрным светом», часто используются в дизайне дискотек и ночных клубов. Практикуется также применение флуоресцентных пигментов в красках для татуировки.

В технике

править

В технические жидкости, например — антифризы, часто добавляют флюоресцентные добавки, облегчающие поиск течи из агрегата. В ультрафиолетовом свете подтёки такой жидкости становятся очень хорошо заметны[источник не указан 1093 дня].

В коммунальном хозяйстве флуоресцеин используется при проверке герметичности и поиске утечек теплоносителя в теплосетях, в том числе попадания технической воды из неё в систему питьевого водоснабжения[8][9][10][11].

В биологии и медицине

править
 
Флюоресценция (снизу) под ультрафиолетовым освещением спиртового раствора хлорофилла

В биохимии и молекулярной биологии нашли применение флуоресцентные зонды и красители, которые используются для визуализации отдельных компонентов биологических систем. Например, эозинофилы (клетки крови) называются так потому, что имеют сродство к эозину, благодаря чему легко поддаются подсчёту при анализе крови.

В эпидемиологии и коммунальной гигиене флуоресцеин может быть использован при эпидрасследованиях случаев кишечных инфекций с водными путями передачи, а именно для поиска мест загрязнения водоёмов, водоносных горизонтов, систем питьевого водоснабжения просачиванием в них содержимых выгребных ям, септиков, систем канализации[12].

Лазеры

править

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

В криминалистике

править
 
Один из элементов защиты банкноты в 50 евро — флюоресцирующая краска некоторых элементов рисунка и флуоресцирующие полимерные нити в бумаге. Вид при ультрафиолетовом освещении

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

В гидрологии и экологии

править

Флуоресцеин был применен в 1877 для доказательства того, что реки Дунай и Рейн соединены подземными каналами.[13]. Краситель внесли в воды Дуная и спустя несколько часов характерную зелёную флуоресценцию обнаружили в небольшой речке, впадающей в Рейн. Сегодня флуоресцеин используют также как специфический маркёр, который облегчает поиск потерпевших крушение лётчиков 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 плёнок) в морях и океанах).

См. также

править

Примечания

править
  1. Joseph R. Lakowicz. Principles of fluorescence spectroscopy. — 3rd ed. — New York: Springer, 2006. — xxvi, 954 pages с. — ISBN 978-0-387-31278-1, 0-387-31278-1.
  2. http://files.pilotlz.ru/dvd/nano/disk/!n_world/dop_mat/kons_01/02.pdf. Лекция № 2. Основы люминесценции ( продолжение ). Дата обращения: 7 января 2020. Архивировано 10 января 2020 года.
  3. Основные понятия и значения во флуоресцентной микроскопии. stormoff.ru. Дата обращения: 7 января 2020. Архивировано 18 ноября 2019 года.
  4. Molecular Expressions Microscopy Primer: Specialized Microscopy Techniques - Fluorescence - Basic Concepts in Fluorescence. micro.magnet.fsu.edu. Дата обращения: 7 января 2020. Архивировано 18 января 2020 года.
  5. Стоксов сдвиг в растворах и газах. Независимость спектра испускания от длины волны поглощения. Правило зеркальной симметрии и исключения из него. Дата обращения: 11 сентября 2009. Архивировано 25 декабря 2009 года.
  6. Molecular Expressions: Science, Optics, and You: Light and Color - Sources of Visible Light. micro.magnet.fsu.edu. Дата обращения: 7 января 2020. Архивировано 11 марта 2019 года.
  7. Joseph R. Lakowicz. Principles of Fluorescence Spectroscopy / R. J. Lakowicz. -N.Y.: Springer Science, 2006. — 960 p.
  8. Приказ Госстроя РФ от 13.12.2000 № 285 «Об утверждении Типовой инструкции по технической эксплуатации тепловых сетей систем коммунального теплоснабжения» Архивная копия от 25 января 2022 на Wayback Machine // пункт 6.134.
  9. Ядовито-зеленая река напугала новгородцев Архивная копия от 25 января 2022 на Wayback Machine // 01.10.2014 г. «Российская газета».
  10. Вода в трех районах Казани может окраситься в зеленый Архивная копия от 25 января 2022 на Wayback Machine // 08.10.2020 г. «Бизнес Online».
  11. Краситель выявит утечки в теплосетях Ижевска Архивная копия от 5 января 2020 на Wayback Machine // 16.02.2018 г. Сайт ИАУ Администрации г. Ижевска.
  12. Хотько Н. И., Дмитриев А. П. Водный фактор в передаче инфекций // Пенза: ПГУ, 2002. — 232 с. УДК 616.9 – 036.2. — С. 50, 114-115, 190-191.
  13. Berlman IB. 1971. Handbook of fluorescence spectra of aromatic molecules, 2nd ed. Academic Press, New York.

Литература

править

Ссылки

править